一种基于磁性拓扑绝缘体异质结的宏观量子态传输装置及其制备方法与流程

本发明涉及量子信息传输技术和拓扑材料，具体涉及一种基于磁性拓扑绝缘体异质结的宏观量子态传输装置及其制备方法。本发明可应用于宏观量子态瞬时传输、星际量子通信、量子网络节点互联、分布式量子计算、量子增强型导航系统等领域，尤其适用于基于磁性拓扑绝缘体材料平台实现宏观量子态拓扑传输的应用场景。

背景技术：

1、宏观量子态传输（星际之门）是指将包含大量粒子（ 及以上）的宏观物体的集体量子态，从空间一点瞬时传输至另一点的技术。

2、实现宏观量子态传输的核心条件是：发送端和接收端的拓扑材料具有相同的非零拓扑陈数（），且两端投影角同步达到临界值（，）。因此，寻找合适的拓扑材料平台是实现星际之门的关键。

3、mnbi2te4是本征反铁磁拓扑绝缘体，是目前唯一确认的具有体态反铁磁序的量子反常霍尔效应材料。它集内禀拓扑电子态和内禀磁有序于一体，为研究磁性与拓扑的相互作用提供了独特的平台。通过调控其磁性质，可以观测到量子反常霍尔效应、轴子绝缘体态和马约拉纳费米子等奇异量子现象。mnbi2te4已成为探索多种拓扑量子态的多功能平台。

4、然而，现有mnbi2te4材料的研究主要集中在基础物理性质的表征和量子反常霍尔效应的观测上，尚未被应用于宏观量子态传输装置。现有技术主要存在以下问题：

5、（一）宏观量子态传输缺乏合适的材料平台

6、现有宏观量子态传输方案停留在理论层面，缺乏具有非零拓扑陈数、可调控投影角的具体材料平台。mnbi2te4的本征磁性拓扑特性使其成为理想候选材料，但尚未被系统应用于宏观量子态传输装置的设计和制备。

7、（二）缺乏mnbi2te4异质结的工程化制备方案

8、mnbi2te4的拓扑性质受层数、堆叠方式和表面状态的影响。奇数层和偶数层mnbi2te4表现出不同的拓扑相：奇数层处于量子反常霍尔相（），偶数层为轴子绝缘体态（）。现有制备方法（如机械剥离）难以实现厚度可控、大面积、高质量的异质结制备。因此，亟需面向宏观量子态传输装置的工程化异质结制备方法。

9、（三）缺乏基于mnbi2te4的投影角调控方案

10、宏观量子态传输需要精确调控拓扑材料的投影角  至临界值 。现有mnbi2te4研究中主要通过栅极电压调控载流子密度和位移场来调节拓扑性质，尚未实现将投影角调控至临界态的工程化方案。

11、（四）缺乏mnbi2te4陈数的稳定性保障

12、mnbi2te4中存在本征反位缺陷，会影响其拓扑性质的稳定性。宏观量子态传输要求 在传输过程中保持恒定，现有方案缺乏对拓扑陈数稳定性的主动监测手段。

13、针对上述问题，本发明提供了一种基于磁性拓扑绝缘体异质结的宏观量子态传输装置及其制备方法。

技术实现思路

1、（一）发明目的

2、本发明旨在解决现有宏观量子态传输方案中缺乏合适的材料平台、缺乏mnbi2te4异质结的工程化制备方案、缺乏投影角调控方案、缺乏陈数稳定性保障等技术问题，提供一种基于磁性拓扑绝缘体异质结的宏观量子态传输装置及其制备方法，以mnbi2te4多层异质结为核心材料平台，实现可工程化的宏观量子态拓扑传输。

3、（二）技术方案

4、本发明提供一种基于磁性拓扑绝缘体异质结的宏观量子态传输装置，其特征在于，包括：

5、一第一mnbi2te4异质结元件（发送端），包含mnbi2te4薄膜及其上下表面的保护层，具有非零拓扑陈数 ；

6、一第二mnbi2te4异质结元件（接收端），包含mnbi2te4薄膜及其上下表面的保护层，具有与所述第一mnbi2te4异质结元件相同的非零拓扑陈数 ；

7、一栅极电极阵列，设置于所述第一mnbi2te4异质结元件和所述第二mnbi2te4异质结元件的上表面，用于施加栅极电压调控投影角；

8、一太赫兹脉冲发生装置，连接至所述第一mnbi2te4异质结元件和所述第二mnbi2te4异质结元件，用于施加同步的太赫兹脉冲将投影角调制至临界值；

9、一同步控制系统，连接至所述栅极电极阵列和所述太赫兹脉冲发生装置，用于确保发送端和接收端的投影角同步达到临界值 ；

10、一量子态读出系统，连接至所述第二mnbi2te4异质结元件，用于在接收端测量投影权重的变化以确认量子态的成功传输。

11、核心材料平台：

12、所述mnbi2te4异质结元件包含：

13、一衬底（蓝宝石、si(111)或srtio3）；

14、一mnbi2te4薄膜，设置于所述衬底上，具有非零拓扑陈数；

15、一上保护层（alox或六方氮化硼），设置于所述mnbi2te4薄膜的上表面；

16、一下保护层（alox或六方氮化硼），设置于所述mnbi2te4薄膜的下表面与衬底之间。

17、所述mnbi2te4薄膜的层数为奇数个七层（1, 3, 5, …, 2m+1 sl），以保证非零拓扑陈数 。

18、所述上保护层和下保护层的厚度为 2-10 nm。

19、投影角调控机制：

20、所述投影角  定义为：

21、

22、所述栅极电极阵列通过施加栅极电压  调控mnbi2te4薄膜的载流子密度和能带结构，从而改变投影角 。所述太赫兹脉冲发生装置通过施加频率为0.1-10 thz的脉冲，进一步将投影角调制至临界值 。太赫兹脉冲的电场分量通过光整流效应或光电导效应调制mnbi2te4薄膜的折射率和拓扑表面态色散。

23、临界同步条件：

24、所述同步控制系统将发送端和接收端的投影角同步调制至：

25、

26、此时发送端与接收端之间的投影相位锁定由拓扑陈数决定：

27、

28、宏观量子态传输保真度：

29、所述装置的宏观量子态传输保真度由以下公式确定：

30、

31、其中  为被传输宏观物体包含的总粒子数， 为两端投影角失谐量， 为拓扑保护带宽， 为两端纤维相位差， 为宏观相位耦合指数。

32、（三）有益效果

33、成熟的材料平台：mnbi2te4是目前唯一确认的本征反铁磁拓扑绝缘体，其拓扑性质已被广泛研究和验证，材料成熟度高；

34、可调控的拓扑陈数：通过控制mnbi2te4薄膜的层数（奇数层 ，偶数层），可精确调控拓扑陈数；

35、双面保护增强稳定性：alox或六方氮化硼双面封装保护mnbi2te4薄膜免受氧化和污染，显著增强拓扑量子相的稳定性；

36、栅极电压+太赫兹脉冲联合调控：栅极电压实现投影角的粗调，太赫兹脉冲实现投影角的精调至临界态；

37、与现有半导体工艺兼容：所述mnbi2te4异质结可采用分子束外延技术在标准衬底上制备，与现有半导体工艺兼容，适合规模化制备。