[发明专利]微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置

说明书

本发明公开了一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，该装置包括：基片结构；至少两个自组织锗硅纳米线量子点电极结构，制备在上述基片结构上；以及超导微波谐振腔结构，设置在上述基片结构上，并与上述自组织锗硅纳米线量子点源电极结构耦合。本发明提出的微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，通过超导微波谐振腔的微波作为媒介，能够将多个量子点耦合在一起，可作为量子数据总线用于量子芯片的扩展和集成，为构建量子计算机的多个量子比特长程耦合的可扩展量子芯片提供了设计思路和技术方案。

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置。

背景技术

随着半导体产业的不断发展，芯片尺度不断缩小，半导体芯片已经进入纳米级量级，量子效应已经成为不可忽视的因素，影响着芯片运算工作的精准性和稳定性，并且衍生出量子芯片。目前，科学家已经在砷化镓、硅、锗硅核壳型纳米线、铟砷纳米线、石墨烯、碳纳米管和铟锑纳米线等多种半导体材料体系上制备出量子点为基础的单个量子比特，即量子芯片的基本单元。

在非掺杂硅基片上利用分子外延生长技术生长的自组织锗硅纳米线是一种一维纳米结构的新型半导体材料，以空穴为载流子，比其他以电子为载流子的半导体材料有相对更大的自旋轨道耦合强度，提升了量子比特的操控速度，并且，由于没有超精细相互作用的影响，自组织锗硅纳米线自旋量子比特拥有更长的退相干时间，提升了量子比特的操控时间以及操控次数。另外，传统的锗硅核壳型纳米线的横截面是圆形的，自组织锗硅纳米线的横截面则是三角形，导致了自组织锗硅纳米线中的超精细相互作用是非伊辛型，进一步提升了自旋退相干时间。传统的锗硅核壳型纳米线需要转移到基片上，需要大量的时间去精确转移和定位锗硅核壳型纳米线，很难用于未来高集成度的量子芯片的研发，而自组织锗硅纳米线则是直接生长在基片上，无需转移步骤，并且能生长出位置可控的自组织锗硅纳米线阵列，可以用于未来高集成度的量子芯片的研发。因此，在量子计算机领域，具有良好的应用前景。

基于量子芯片的量子计算在特定问题上的效率和速度优于经典计算机，量子计算机的高效率并行计算能力随着量子比特数目的增加呈现指数增加的趋势。但是因为迄今为止备出的量子芯片上的量子比特数目有限，所以目前量子芯片的计算能力也有限。通过直接耦合的方式耦合多个量子点会随着量子点间距离的增加，耦合强度迅速减弱，因此很难用于量子芯片的大规模集成和扩展。

超导微波谐振腔被认为是一种耦合多个量子点的量子数据总线的有效方案。该方案以谐振腔中的微波和量子点的相互作用为基础，将多个量子点放置在同一个超导微波谐振腔的不同位置，每个量子点均和谐振腔建立有效耦合。量子点的等效电容的变化会引起微波信号频率的移动，量子点的等效电阻的变化会引起微波信号频率的展宽，所以量子点的状态的变化会引发微波的电磁场的变化。反过来，微波的电磁场的变化会影响到另一个量子点，导致另一个量子点的状态的变化。从而，两个量子点就可以以微波为传输媒介耦合到一起，而且谐振腔的微波传输线采用超导材质，如铝、铌等，在谐振腔中的能量损耗很小，能够进行长距离耦合。因此，超导微波谐振腔能够作为量子数据总线用于量子芯片的扩展和集成。

发明内容

本发明的目的是基于超导微波谐振腔的微波信号和量子点的相互作用，量子点的状态的变化会改变谐振腔内微波的电磁场，谐振腔内微波的电磁场的变化会引起另外的量子点的变化，设计出一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置。通过谐振腔内的微波做传输媒介，能够将多个量子点耦合在一起，为构建可扩展的量子芯片提供量子数据总线的方案。

有鉴于此，本发明提供了一种微波谐振腔耦合自组织锗硅纳米线量子点装置，该装置包括：

基片结构；

至少两个自组织锗硅纳米线量子点电极结构，制备在上述基片结构上；

以及微波谐振腔结构，设置在上述基片结构上，并与上述自组织锗硅纳米线量子点源电极结构耦合。

其中：