[发明专利]具有自旋量子位的量子器件

说明书

本发明公开了一种具有自旋量子位的量子器件(100)，量子器件(100)包括：‑第一半导体层(102)，包括通过隧穿势垒(108)彼此连接的数据量子位(104)和测量量子位(106)的第一矩阵；‑对量子位进行寻址的装置，被配置成通过场效应来控制每个隧穿势垒的导电并且包括：第一导电部分和第二导电部分(116，124)，分别布置在第一叠置金属化层面和第二叠置金属化层面(112，114)中；第一导电通路和第二导电通路(118，126)，各自包括分别连接到第一导电部分和第二导电部分中的一个的第一端(120，128)以及面向隧穿势垒中的一个放置的第二端(122，130)；‑第一介电层，插入于隧穿势垒和第一导电通路及第二导电通路的第二端之间。

技术领域

本发明涉及量子信息处理或量子计算领域。本发明特别地涉及具有自旋量子位(quantum bits或qubits)的量子器件。

背景技术

在该领域中，存在纠错码(被称为“表层编码”)来补偿量子位的缺陷，以修复量子信息的丢失并因此执行非常复杂的量子计算。使用量子位矩阵来实现这种类型的纠错码，量子位矩阵例如采用硅，量子位矩阵处于如图1所示的二维矩阵1的形式。

在该图1中，具有标记10的白圈表示数据量子位，而具有标记12的黑圈表示测量量子位。相邻的量子位10、12通过隧穿势垒14彼此连接。在该矩阵1中，数据量子位10彼此交错排列，并且测量量子位12彼此交错排列。这些量子位10、12对齐且布置成行和列的形式。最后，量子位10、12被布置成使每个数据量子位10连接到两个(对布置在矩阵角落的数据量子位10而言)、三个(对布置在矩阵边缘的数据量子位10而言)或四个(对未布置在矩阵角落且未布置在矩阵边缘的所有其它数据量子位10而言)测量量子位12，并且使每个测量量子位12连接到两个(对布置在矩阵角落的测量量子位12而言)、三个(对布置在矩阵边缘的测量量子位12而言)或四个(对未布置在矩阵角落且未布置在矩阵边缘的所有其它测量量子位12而言)数据量子位10。

如果这种量子位矩阵1要起作用，则至少每个测量量子位12(以及可能的数据量子位10)必须耦合到检测元件(图1中未示出)，该检测元件的操作类似于“单电子晶体管”(Single Electron Transistor，SET)的操作，以检测在该检测元件耦合到的量子位上是否存在电荷。还能够使用该检测元件来向测量量子位12中的至少一个(可能的话，还能够向数据量子位10中的至少一个)发送电荷载流子(电子或空穴)或者接收来自测量量子位12中的至少一个(可能的话，来自数据量子位10中的至少一个)的电荷载流子(电子或空穴)。

这种量子位矩阵1引起的第一个问题在于：必须在这种结构中对量子位10、12进行寻址。每个测量量子位12以及可能的每个数据量子位10必须连接到形成从矩阵1外部通向该量子位的电接入口的电连接。例如，考虑3×3量子位矩阵(9个量子位布置成三行三列的正方形形式)，这九个量子位中的每一个量子位的电寻址连接的产生至少需要两个电气互连层面：用于该矩阵的中心量子位的第一层面和用于该中心量子位周围的其他量子位的第二层面。这是因为对这些量子位的全部电连接而言，量子位之间的距离太小而无法在单个电气互连层面上实现，考虑5×5矩阵，即二十五个量子位，至少需要三个电气互连层面。一般来说，针对n×n量子位矩阵，当n为偶数时，需要n/2个电气互连层面，当n为奇数时，需要(n+1)/2个电气互连层面。当n较大时，例如大于约40或者甚至大于约30，对这些层面而言，电气互连层面的数量太大而无法在实际中进行制作。

这种矩阵1引起的第二个问题在于：制作耦合到量子位的检测元件。考虑制作量子位(例如两个相邻的量子位，彼此间隔约5nm至100nm之间的距离，并且每个量子位具有横向尺寸，例如介于约5nm和100nm之间的直径)所需的尺寸，设想在该量子位矩阵1内制造这些检测元件是困难的。

此外，这种矩阵1引起的第三个问题在于：如同对量子位进行寻址一样，由于需要进行大量的电连接，因此检测元件的寻址也是个问题。

发明内容