[发明专利]基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位

说明书

本发明涉及一种基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，是量子计算处理器的基本单元。所述基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，它的第一个主自由度分配给写入操作，第二个主自由度分配给读出操作，其中第一和第二主自由度之一是一个自旋电子电荷，而另外一个也是一个自旋电子电荷。本发明的量子位可以在保持长达150ms以上的Rabi干涉。本发明的晶体管是量子计算机处理器的关键元件，将开启人类历史上室温量子计算的时代。本发明工艺简单，易于集成，可用于开发大规模量子计算处理器芯片。

技术领域

本发明属于计算机科学与技术领域，具体涉及一种基于掺杂纳米线碳化硅多型互嵌晶体制造的自激励自旋单电子电磁晶体管的室温自旋电子量子位器件，是量子计算处理器的基本单元。

背景技术

这个元件构成生产量子位基本单元，属于量子计算领域，也称之为量子位。这个元件是一个物理器件，它只有两个量子态，例如，基态和激发态，构成两能级结构。它可由态矢量|0＞和|0＞标识，这个元件可处于相干叠加态，叠加态表示为：

a|0＞+b|1＞

这里系数a和b对应态归一化后的任意值。

一个量子比特能够由外部控制来操作，它可以执行单位矩阵U操作，这里指矩阵U这个量子比特的态空间。特别地，能制备这个量子比特的两个量子态的任意相干叠加态a|0＞+b|1＞。这个量子位要具有足够长的相干时间，完成操作，且与其它一个或多个量子位耦合，产生逻辑门。

量子位间满足以上条件才能够耦合和结合，执行量子逻辑操作，用于量子计算机处理器。目前，两种量子位较为流行。一种是基于天然的量子客体，如一种离子或原子核自旋，它们的相干时间长达几秒，可集成度低。另一类是基于装配类，如采用微技术的超导体和电气电路，容易集成但其相干时间非常短。

目前的量子计算机有光子技术、离子阱和超导体，前者不易集成，不能达到完成量子计算所需的量子位，后两者必须在低温下工作。为了克服这个缺陷，本发明着眼于制造室温下能够运行的量子位，采用微技术制造室温下可运行的量子位，潜在地可以集成大规模集成量子位，满足量子计算处理器需要。

此外，超导量子计算机的相干时间短，且量子位脆弱，与环境作用相消干。只能进行绝热量子计算和特俗算法，这限制了超导量子计算机的用途。

发明内容

针对以上量子计算机相干时间短、低温运行等不能制造手持式量子计算机且只能进行绝热迭代等特殊算法限制，需要开发量子计算机的处理器的室温单元器件。首先要有室温下能够运行的类似低温下超导josephoson结量子效应的器件。但由于量子效应的脆弱性，在环境等噪声的散射下，量子易失相，以至于相干时间非常短，这是建造量子计算机的一个障碍。那么发现能够在室温下强健的量子位是关键。碳化硅中存在有能够在室温下运行的的自旋电子相干现象，它在室温下相干时间达毫秒级，参看文献Abram.L.Faulk，Bob.B.Buckley，Greg Calusine，William F.Koehl，Viatcheslav V.Dobrivitski，AlbertoPoliti，Christian A.Zorman，Philip X.L.Feng，and David D.Awschalm.Polytypecontrol of spin qubits in silicon carbide.Nature communications，4：1819，2013。本发明以自激励电磁晶体管室温下在栅极和衬底施加电压超过阈值的情况下，源漏极出现严格周期的各一半的顺时针和逆时针循环电流(circulating current)，其源漏I-V曲线谐振显示出相干量子动力学，这种量子位特性标志双能级系统，可构造室温稳定的量子位器件。

单只晶体管的电学特性可由以下方程描述：