[发明专利]量子处理系统

说明书

公开了一种量子处理系统。在一个实施例中，量子处理系统包括：定位在硅晶体衬底中的多个施主原子，每个施主原子定位在施主位点处；以及多个导电控制电极，多个导电控制电极布置在施主原子周围，以将施主原子作为量子比特操作。其中，多个施主原子中的至少两对最近的相邻施主原子沿着硅晶体衬底的[110]方向布置，并且被配置为作为量子比特操作。

技术领域

本公开的方面涉及高级处理系统和用于操作该系统的方法，并且更特别地，涉及可控以执行误差校正量子计算的量子处理系统。

背景技术

本章节中描述的发展是发明人已知的。然而，除非另外指出，否则不应假设本章节中描述的任何发展仅由于它们被包括在在本章节中而被认为是现有技术，或者那些发展是本领域普通技术人员已知的。

大规模量子处理系统具有技术革命的希望，具有解决经典机器无法实现的问题的前景。迄今为止，已经提出了许多种不同的结构、材料和架构来实现量子处理系统并且制造其基本信息单元(或量子位)。

例如，制造量子位的一种方式是使用硅中的电离的磷施主原子的核或电子自旋，使得每个磷施主原子然后充当量子位(或量子比特)。由于³¹P自旋的可寻址性和长相干性，这种制造技术提供了近乎完美的量子比特状态编码。此外，以这种方式制造的量子比特已经展示了第二长的寿命，并且受益于能够实现电寻址和高精度的半导体主机。

然而，为了开始看到量子处理系统可以提供的计算优势，需要制造基本量子电路(或量子门)，这并不容易。例如，在硅中的单一施主原子的情况下，创建双量子比特门需要精确控制两个邻近施主原子之间的电子-电子交换相互作用以及同一施主原子的电子和核自旋之间的超精细相互作用。通常，电子-电子交换经由海森堡交换相互作用发生，这是在相同粒子之间发生的量子力学效应。

尽管海森堡交换相互作用是量子比特相互作用的有吸引力的方式(因为它为量子处理器提供了紧凑的路由)，但是跨越多个基于硅的量子位一致地且可控地实现这种相互作用常常是有问题的。这是因为硅能带结构中固有的量子干涉效应以及硅中存在的谷自由度。基本上，硅的晶体结构导致施主束缚的电子电荷分布在施主周围的空间中以频率k_μ～0.81k₀(称为谷频率)振荡，该频率与晶格频率k0不相称。值得注意的是，已经预测在束缚在两个施主原子上的两个电子之间的在谷频率处发生的双电子干涉会导致两个施主原子之间的交换耦合作为施主间位置的函数振荡，从而强烈地调制氢分子状指数衰减。对于仅几个晶格位点的施主位置的变化，交换可以变化高达5个数量级，这对于量子计算机和模拟器是关键的。交换量值的变化可以使双量子比特门的精度劣化，阻止所要求的大规模量子比特同步，并破坏多体效应。

此外，已经提出了波函数工程选项，其中，通过耦合到界面态或通过使用应变硅来修改硅的电子谷成分。然而，仍然存在关于这些技术涉及的复杂制造工艺以及界面陷阱、粗糙度或应变不均匀性对交换变化、电子相干性和器件可靠性的影响的担忧。

因此，期望一种改进，其与现有器件制造技术兼容，并且其中交换耦合可以被稳定。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种量子处理系统，包括：定位在硅晶体衬底中的多个施主原子，每个施主原子定位在施主位点处；多个导电控制电极，多个导电控制电极布置在施主原子周围，以将施主原子作为量子比特操作；其中，多个施主原子中的至少两对最近的相邻施主原子沿着硅晶体衬底的[110]方向布置，并且被配置为作为量子比特操作。

在一些实施例中，每对最近的相邻施主原子具有交换耦合值，并且施主原子对之间的交换耦合值的最大变化小于预定因子。

在一些实施例中，预定因子为10。

此外，硅晶体衬底可以包括沿着[110]方向布置的多个施主位点，每个位点包括多个位置，并且其中，第一施主原子位于第一施主位点处的多个位置中的第一位置处，并且第二施主原子位于第二施主位点处的多个位置中的第二位置处，并且其中，第一位置不同于第二位置。