[发明专利]量子比特设备和用于操作量子比特设备的方法

说明书

根据本发明构思的一方面，提供了一种量子比特设备(100)，包括：半导体衬底层(110)；一组控制栅(112，114，116)，该组控制栅被配置成沿着该衬底层(110)限定一行静电限制量子点(122)，每个量子点(122)适于保持量子比特；以及一组纳米磁体(124)，该组纳米磁体在该衬底层(110)上布置成行，以使得纳米磁体(124)布置在该行量子点(122)中的每隔一个量子点(122a)上方，其中每个纳米磁体(124)相对于该衬底层(110)具有面外磁化，并且其中每隔一个量子点(122a)经受由相应纳米磁体(124)产生的面外磁场，以使得每隔一个量子点(124a)的量子比特自旋谐振频率相对于该行量子点中的邻近量子点(122b)偏移。

技术领域

本发明构思涉及一种量子比特设备以及一种用于操作量子比特设备的方法。

背景技术

近年来，半导体量子点量子比特的发展取得了长足进步。半导体量子点使得能够通过限制在量子点处的电子的自旋状态来限定高保真量子比特(即，“自旋量子比特”)。可以使用静电栅从2DEG在例如硅基平台中形成半导体量子点。采用来自CMOS技术的常规制造技术，这使得能够紧凑地实现自旋量子比特。尤其由于这些原因，半导体量子点量子比特技术代表了可扩展量子比特系统的有前途的候选。

可以使用电子自旋谐振(ESR)来控制量子点自旋量子比特，其中自旋状态由射频AC磁场操纵。在电偶极自旋谐振(EDSR)中，自旋状态替代地由射频AC电场操纵。与ESR相比，EDSR使得能够实现用于量子比特控制的较有效且较简单的脉冲方案。然而，EDSR依赖于电场与量子比特的自旋之间的耦合，并且电子在例如硅中的自旋轨道耦合典型地太弱而不能支持EDSR。这已在现有技术中通过并有片上微磁体以在量子点处产生空间可变的面内自旋电场耦合场的构思验证设备来解决(例如，Mohiyaddin F.A等人的“MultiphysicsSimulationDesign of Silicon Quantum Dot Qubit Devices[硅量子点量子比特设备的多物理模拟和设计]”，IEDM)。

虽然最近取得了进展，但是仍然需要进一步促进可扩展性的量子比特设备设计。

发明内容

本发明构思的目的是提供一种改进的量子比特设备，该改进的量子比特设备促进扩展到较多数量的量子比特。可以从下文中进行理解另外的和替代性的目的。

根据本发明构思的一方面，提供了一种量子比特设备，包括：

半导体衬底层；

一组控制栅，该组控制栅被配置成沿着该衬底层限定一行静电限制量子点，每个量子点适于保持量子比特；以及

一组纳米磁体，该组纳米磁体在该衬底层上方布置成行，以使得纳米磁体布置在该行量子点中的每隔一个量子点上方，

其中每个纳米磁体具有相对于该衬底层的面外磁化，并且其中每隔一个量子点经受由相应纳米磁体产生的面外磁场，以使得每隔一个量子点的量子比特自旋谐振频率相对于该行量子点中的邻近量子点偏移。

本发明的量子比特设备提供了一种实现多量子比特系统的可扩展设计。

该设备支持限定适合保持电子量子比特(比如，单电子量子比特)的面积有效且高度限制的量子点。使用控制栅以限定静电限制量子点进一步能够通过改变量子点处的电势而在邻近量子点之间依序穿梭量子比特/电子来耦合量子点之间的相邻量子点量子比特转移。

纳米磁体提供的小尺寸以及它们在衬底上方的布置有助于设备设计的面积效率。

此外，提供相对于衬底层具有面外磁化的纳米磁体允许在每个纳米磁体下方的相应量子点中诱发出磁场(具有面外取向)。在纳米磁体中的相应者下(并因此与其对准)限定(仅限定)该行量子点中的每隔一个量子点引起每隔一个量子点处的量子比特自旋谐振频率相对于邻近量子点偏移。这转而允许位于纳米磁体下方的量子点中的量子比特被选择性地寻址到不位于纳米磁体下方的量子点中的量子比特。