量子处理系统的制作方法

1.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：

2.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。
3.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)。
4.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
31
p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。
5.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。
6.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。
7.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。
8.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。


技术实现要素：

9.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。
[0010]
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。
[0011]
在一些实施例中，预定因子为10。
[0012]
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。
[0013]
在某些实施例中，每个施主位点包括六个位置。
[0014]
此外，当第一施主原子位于第一施主位点处的多个位置中的任何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任何位置处时，对交换耦合j提供二维保护以防止谷干涉。
[0015]
此外，一对施主原子中的施主原子之间的距离可以至少为10nm，并且在一些实施例中在10nm与25nm之间。
[0016]
该量子处理系统还可以包括多个控制栅极，多个控制栅极布置在施主原子周围，以创建失谐场，以将至少90％的施主原子对之间的交换耦合值增大到特定交换耦合值。
[0017]
根据本公开的第二方面，提供了一种量子处理系统，包括：定位在硅晶体衬底中的施主位点处的多个施主原子；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，至少一对最近的相邻施主原子沿着硅晶体衬底的[110]方向布置在多个可能的彼此不等效施主
‑
施主位置中的一个位置中，其中，每个不等效施主
‑
施主位置与交换耦合值相关联，并且交换耦合值关于多个可能的不等效施主
‑
施主位置的变化小于预定因子。
[0018]
多个不等效施主
‑
施主位置可以包括10种配置。
[0019]
此外，当至少一对最近的相邻施主原子布置在多个可能的不等效施主
‑
施主位置中的任一个中时，对交换耦合j提供二维保护以防止谷干涉。
[0020]
根据本公开的第三方面，提供了一种量子处理系统，包括：多个量子比特，多个量子比特是通过在硅晶体衬底中沿着[110]方向定位施主原子以使得施主原子对之间的交换耦合的量值差小于预定因子而创建的；以及多个控制栅极，多个控制栅极布置在施主原子周围，以创建失谐场，以将至少90％的施主原子对之间的交换耦合值增大到特定交换耦合值。
[0021]
在某些实施例中，多个控制栅极中的一对控制栅极被布置为控制一对量子比特以创建失谐电场。
[0022]
再者，第三方面的量子处理系统可以包括多个导电控制电极，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。
[0023]
根据本公开的第四方面，提供了一种用于量子处理系统中的结构，该结构包括：硅
晶体衬底，该硅晶体衬底包括沿着硅晶体衬底的[110]方向布置的多个施主原子位点，每个施主原子位点包括用于定位施主原子的多个可能位置；多个施主原子，每个施主原子在多个可能位置中的任一个中定位在多个施主原子位点的对应施主原子位点中；其中，在[110]方向中彼此最近的施主原子彼此相互作用，并且每对最近的相邻施主原子具有交换耦合值，并且其中，多对最近的相邻施主原子之间的交换耦合值的最大变化小于预定因子。
附图说明
[0024]
图1a是实际空间中体硅晶体的晶胞的示意图。
[0025]
图1b
‑
图1d示出了硅晶胞晶格中的不同平面和方向。特别地，图1b示出了[100]方向和平面，图1c示出了[110]方向和平面，并且图1c示出了[111]方向和平面。
[0026]
图2是图1a的硅晶体在倒易空间中的示意图。
[0027]
图3是具有多行硅二聚体的2
×
1硅表面的示意图。
[0028]
图4a是束缚在硅衬底中的施主原子的单一电子自旋的2d阵列示意图。
[0029]
图4b是示出了两个施主原子之间的交换相互作用的示图。
[0030]
图5a是相对于特定施主原子位点的在[100]方向和[110]方向上的施主原子位点的示意图。
[0031]
图5b是交换耦合的施主对的准粒子波函数的stm图像。
[0032]
图5c描绘了图5b的stm图像，其在谷频率kμ～0.81*k0附近滤波，示出了平面内的y谷干涉。
[0033]
图5d是从穿过图5c中所示的两个施主原子切割的线的拟合中提取的相位差的曲线图。
[0034]
图5e是示出了对于d
tar
＝12nm，相对于θ
tar
绘制的归一化包络权重j
μν
的曲线图。
[0035]
图5f是示出了定位在[100]方向上的施主原子的交换相互作用值的曲线图。
[0036]
图5g是示出了在[110]方向上的施主原子位置的交换相互作用值的曲线图。
[0037]
图5h是示出了对于各种施主间距离，在[100]和[110]方向上最小和最大交换相互作用值的比率的曲线图。
[0038]
图6是示出了对于在[100]和[110]方向上的给定可调谐性因子，调谐到最大交换相互作用值的量子比特的百分比的曲线图。
[0039]
图7是根据本公开的方面的示例性结构的示意图。
[0040]
图8a示出了具有放置在硅衬底的顶部上的控制栅极的可调谐2量子比特门。
[0041]
图8b示出了具有与两个量子比特共面放置的控制栅极的可调谐2量子比特门。
[0042]
图9是根据本公开的方面用于在[110]方向(或[001]平面)上将施主原子放置在硅衬底中的处理步骤的示意图。
[0043]
图10a是沿着[110]方向在两个邻近的施主位点处的h解吸的示意图。
[0044]
图10b是沿着[110]方向定位在硅衬底中的两个施主原子的图像。
[0045]
图11a
‑
图11b是根据本公开的方面的量子处理器的架构的示意图。
[0046]
尽管本发明可以接受各种修改和替代形式，但在附图中以示例的方式示出了具体实施例并且对其进行了详细描述。然而，应当理解，附图和具体实施方式并非旨在将本发明限制为所公开的特定形式。本发明将涵盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围
内的所有修改、等效和替代。
具体实施方式
[0047]
概述
[0048]
本章节描述硅的已知性质以及与将施主原子放置在硅衬底中以制造诸如量子处理系统的高级处理系统相关联的问题。
[0049]
硅具有立方对称的晶体结构。每个硅晶体的特征在于在x、y和z方向上重复的晶胞。图1a示出了硅的一个晶胞100，其在立方结构的八个角处包括八个硅原子。一般地使用米勒指数来描述硅晶胞100的晶面和方向。根据这种指数，使用x、y和z方向来定义方向。例如，方向[110]定义了正交于xy平面或小平面的表面的矢量方向。使用该指数定义三个主晶体方向：[100]方向、[110]方向和[111]方向，如图1b、1c和1d所示。
[0050]
此外，应当理解，硅的能带结构是复杂的。其具有如下性质：当晶体动量(k)为零时，导带中的电子态的能量未被最小化，而是在非零值k
μ
处被最小化，该非零值k
μ
是到达布里渊区边界的路径的约81％，如图2中具有第一布里渊区的硅的倒易晶格单元200中所示。
[0051]
由于硅具有立方对称性，并且在结构中有六个等效的最小值，因此通常认为硅在其导带中具有六个简并的谷。在常规的电子器件中，多个谷的存在通常不会以深刻的方式影响传输性质。然而，谷物理学在量子电子学中起关键的作用，因为不同谷之间的干涉使放置在硅衬底中的施主原子的自旋操纵复杂化。
[0052]
一般而言，晶格结构100中的每个硅原子键合到四个其他硅原子——下方两个和上方两个。这是硅的最稳定状态，因为满足了其所有可能的键。然而，衬底表面上的硅原子仅与下方的两个硅原子键合，因为它们缺少任何上方键合的原子。因此，表面si原子有两个上方可用的键合位点(称为悬挂键)。为了减少悬挂键的数量，表面上的邻近硅原子对彼此键合，从而使每个表面硅原子具有一个可用的悬挂键。当邻近表面原子对以这种方式彼此键合时，它们被拉向彼此并且脱离其立方晶格位置，从而形成被称为二聚体行的多行硅原子对。图3示出了具有多行二聚体302的2
×
1硅表面300。该图还示出了每个硅原子上的悬挂键304。
[0053]
如前所述，通过将施主原子(例如，磷原子)放置在
28
si结构中来制造一些量子处理系统。这种制造通常涉及将硅表面暴露于原子氢，使得氢原子可以(使用悬挂键304)键合到表面si原子，从而在表面上形成氢原子的单分子层。此后，使用扫描隧道显微镜(stm)尖端来选择性地解吸氢原子，从而在精确选定的位置中的暴露悬挂键(例如，在特定位置可以解吸6个氢原子以暴露3个硅二聚体)。然后，例如通过磷化氢气体(ph3)的方式引入磷施主原子，使得正好一个磷原子与在每个暴露位置处暴露的悬挂键强键合(例如，磷施主原子可以与特定位置中的三个硅二聚体的任一个强键合)。此后，束缚到嵌入在硅晶体中的施主原子的磷电子对可以(经由交换耦合j)彼此相互作用，以形成量子比特对，可以控制该量子比特对以执行某些电路操作。
[0054]
图4a是在
28
si中束缚到施主原子402a、402b
……
402n的单一电子自旋的2d阵列400的示意图，其中，使用海森堡交换相互作用在最近的相邻(例如，施主原子402a和402b)之间发生2量子比特操作。图4b示出了图4a的两个施主原子402a与402b之间的交换相互作用410。
[0055]
施主原子之间的交换耦合的一个重要特征是交换耦合的振荡，其中施主分离由于前述的多谷硅导带而在晶格常数的量级上改变。这些谷之间的干涉可以导致交换相互作用中的快速振荡，并且可以导致交换门误差和失同步量子处理器。基于施主的量子比特的另一个问题是施主放置精度的随机性或不确定性，这是因为施主原子可以在特定位点处与三个暴露的硅二聚体中的任何一个键合而发生的，这取决于在暴露的二聚体阵列内的cvd期间ph3分子如何定位其自身。这两个特征导致在两个量子比特之间产生的交换耦合j中的固有随机性，这进而导致交换门误差和失同步量子处理器。
[0056]
在过去十年中，许多研究者已经研究了这些特征对邻近施主原子之间的交换耦合的影响，并且已经发现在一维位置方案中，两个邻近施主原子之间的交换耦合不受沿着[100]晶向的谷干涉的影响。然而，这假设施主原子可以被精确地定位并且在完美的线性布置中。这与使用stm光刻的现有技术掺杂剂定位不兼容，在现有技术掺杂剂定位中，掺杂剂被随机地并入3个二聚体的片内，导致邻近施主原子的相对位置的二维不确定性。一些研究考虑了随机3d施主放置误差，并且还得到结论：在空间中不存在包括沿着[100]的区域，在该区域中谷诱导的交换变化是有限的并且交换是稳定的。
[0057]
基于这些研究，当制造基于施主的量子比特时，研究者通常沿着[100]方向将磷施主定位在硅表面中。
[0058]
然而，与常识和实践相反，本发明人发现了一种掺杂剂放置方案，其中，交换不受平面内谷干涉的影响，因此不受掺杂剂位置的平面内(2d)随机变化的影响。
[0059]
特别地，本申请的发明人已经提出基于施主的量子处理系统，其中施主原子位于在[110]方向上布置的施主位点处。这种量子处理系统考虑了实际的施主定位误差或变化，并且表现出小于10倍的交换变化。因此，所提出的基于施主的量子处理系统实现了交换均匀性，同时保留了批量可再现的施主性质。
[0060]
当前公开的量子处理系统中的施主原子基于定制的交换计算和分析来布置，该定制的交换计算和分析依赖于在硅平面中的施主原子的实际位置，这是使用stm技术可实现的。
[0061]
以下章节描述了试验结果、具有放置在[001]平面中的施主原子的硅衬底、用于在[001]平面中制造基于施主的量子比特的工艺、以及使用[001]平面中的基于施主的量子比特的量子处理系统。
[0062]
试验结果
[0063]
谷诱发的j振荡的存在不可避免地约束了量子架构的设计。首先，由于图4b中所示的包络部分而导致的交换指数衰减的直接结果是需要将施主原子放置在约2nm(即，电子波尔半径)精度内，否者交换耦合j会变化超过一个数量级。这个阈值是关键的，因为常常难以通过任何已知的调谐方案来调谐该数量级或任何更大数量级的交换耦合变化，这最终影响了特定量子处理系统中的量子比特均匀性，并且因此影响了在同步操作中对这种量子比特进行控制和寻址的能力，这种能力在大规模量子处理中可能是需要的。
[0064]
stm光刻技术一般地满足这一要求，因为使用stm在沿着[110]方向的3个氢解吸的二聚体的片内随机地并入单一施主原子是可能的。然而，即使利用stm，也难以预测或迫使施主原子与6个暴露的硅原子中的特定硅原子键合，并且实际上，假定悬挂键和ph3分子之间发生化学反应，施主原子随机地与六个暴露的硅原子的任何一个键合。因此，两个邻近施
主原子可以有多达12个不等效的施主
‑
施主位置。
[0065]
图5a示出了施主原子位点502和两个其他施主原子位点504和506，其中，施主原子位点504在从施主原子位点502的[100]方向上，并且施主位点506在从施主原子位点502的[110]方向上。此外，每个施主位点502、504和506包括6个可以放置施主原子508的可能位置。在图5a中，对于目标距离d
tar
和目标角度为θ
tar
，位点502、504和506中的施主原子508被键合到中间硅二聚体中的硅原子。图5a中的开放圆指出了两个方向上的目标位置。
[0066]
发明人对交换耦合的施主执行了低温stm，以在波函数水平上直接对两个施主原子之间的谷相位干涉进行成像和测量。这是通过在谷频率kμ～0.81*k0附近对stm图像进行滤波，从而提取两个施主之间的谷相位差来实现的。图5b
‑
图5d示出了邻近施主原子的一个施主
‑
施主位置的y谷干涉和谷相位差。
[0067]
特别地，图5b是交换耦合的施主对510的准粒子波函数的stm图像。点512表示两个施主的精确定位的位置，点514表示在2
×
1重构表面处的硅原子位置。图5c示出了图5b的stm图像510在谷频率kμ～0.81*k0附近滤波，示出了平面内y谷干涉。十字522指出了施主位置的位置。图5d是从穿过图5c中所示的两个施主原子的切割的线的拟合中提取的相位差的曲线图。如果接近π，则y谷在两个施主之间破坏性地干涉，这可能影响交换耦合j。
[0068]
从这些图像，施主之间的谷相位干涉被直接量化。这是第一次直接观察并且量化硅中两个磷原子之间的谷干涉。从这些观察结果，发明人已经仅使用试验测量的参数作为输入，构建了交换变化的量值的预测模型。这种模型为现象学有效质量模型(p
‑
em)，并且其可以表示为
[0069][0070]
其中，δφ
u
是谷μ中相邻施主之间的谷相位差，δφ
v
是谷v中相邻施主之间的谷相位差，a和b是各向异性包络波尔半径，是两个施主之间的相对位置，μ指示其中第一电子在两个施主之间交换的谷，并且ν指示其中第二电子在两个施主之间交换的谷。
[0071]
在这个方程中，第一部分(即，j
μv
)包括包络或轨道项，并且该部分以平滑、缓慢变化的方式影响交换值(j)。第二部分(即，cos(δφ
u
±
δφ
v
))包括谷干涉项，其以快速变化的方式影响交换值(j)。
[0072]
图5e是示出了对于d
tar
＝12nm，相对于θ
tar
绘制的归一化包络权重j
μν
的曲线图540。在该曲线图可以看出，6个不同包络项(j
xx
、j
xy
、j
xz
、j
yy
、j
yz
和j
zz
)的相对权重平滑地演变，因为它们不包含任何谷干涉，但它们的比率不是恒定的，并且变化几个数量级。这是施主包络的各向异性和指数特性的直接结果。在曲线图540中可以看出，沿着[100]方向，j
yz
项与j
zz
和j
yy
简并，并且在很大程度上比电子在x谷中交换的任何项占主导地位。j
yz
、j
zz
和j
yy
之间的简并源自对称性，因为y和z轨道之间的乘积沿着[100]方向相等。
[0073]
然而，沿着[110]方向，j
zz
的普遍性被最大化。因此，在这个方向上，j
zz
比简并项j
xz
和j
yz
占主导地位。因此，沿着[110]方向放置施主导致有限的δφ
x
或δφ
y
，这可能具体地根据从一对到一对获得的配置而变化，并且因此根据破坏性的j
xz
和j
yz
项而变化。然而，它们都对交换值的影响都可以忽略，因为j
zz
在这个方向上占主导地位。
[0074]
图5f是曲线图550，其示出了对于在[100]方向(即，其中θ
tar
＝0
°
)上计算的两个施主原子之间的12个可能的距离的所得归一化j值，这两个施主原子均可以被放置在施主位点中的6个可能位置中的一个中，并且图5g是曲线图560，其示出了对于[110]方向(即，其中θ
tar
＝45
°
)计算的两个施主原子之间的10个可能距离的所得归一化的j值，该两个施主原子均可以被放置在施主位点的6个可能位置中的一个中。在这两种情况下，施主原子之间的平均距离为12nm(即，d
tar
＝12nm)。这些曲线图中的每个示出了基于方程(1)的现象学有效质量(p
‑
em)理论模型计算的归一化j值。
[0075]
在图5f中可以看出，对于从11nm到13nm的不同位置引起的距离变化，12个不同位置中的每个在[100]方向上的归一化j值的变化近似为100倍或两个数量级。例如，最低交换耦合值(jmin)与最高交换耦合值(jmax)之间的差异大于100倍。可以由曲线图540和p
‑
em模型来解释归一化j值的这种变化。j
yy
、j
zz
和j
yz
项沿着[100]方向的简并和主导地位意味着方程1中表示的和可以被简化成这些项，其仅涉及δφ
y
和δφ
z
，并且后者在xy平面中为零。因此，δφ
y
仅沿着[100]方向重要。对于在[100]方向上完全对准的位置的归一化j值导致构造y谷，即δφ
y
＝0和最大化的j值。然而，当施主原子沿着[100]方向未对准或未完全对准时，δφ
y
是有限值，并且因此，对于这些位置，这种配置的归一化j值减小超过两个数量级。这意味着，当沿着[100]方向放置施主时，仅x谷干涉(即，)不会影响交换，从而为交换提供一维保护以防止来自掺杂剂放置误差的谷干涉。
[0076]
另一方面，在图5g中可以看出，对于从11nm到13nm的不同距离引起的变化，在[110]方向上的10个不同位置中的每个的归一化j值的变化小于10倍。例如，最低交换耦合值(j
min
)与最高交换耦合值(j
max
)之间的差为小于10的因子。这可以再次由曲线图540和方程(1)的p
‑
em模型来解释。沿着[110]方向放置施主导致有限的δφ
x
或δφ
y’，它们可以根据施主原子对之间的位置差异而变化。然而，由于j
zz
在[110]方向上占主导地址，这两个值对j值的影响都可以忽略。结果，沿着[110]轴获得的两个施主的可能交换值(j)受到更多的约束，并且变化小于一个数量级，如曲线图560所示。当沿着[110]方向放置施主时，或都不影响交换的事实为交换耦合j提供了二维保护，防止来自掺杂剂放置误差的谷干涉，其中在[100]方向上放置施主不能提供这种二维保护。
[0077]
图5h是曲线图570，其示出了对于邻近施主原子之间从10nm到25nm的宽范围目标距离，在[100]方向和[110]方向上的目标位置绘示的jmin/jmax值的比率。如该图中所示，[110]方向上的值示出了宽范围距离的有限变化(10倍或更小)，接近12nm以上的目标距离处的包络极限，因为平面内谷干涉δφ
x
和δφ
y
不影响交换值。相反，[100]方向上的值在整个范围内保持远低于500倍，因为j
yy
、j
yz
和j
zz
之间的简并对于所有距离保持。
[0078]
因此，显然，交换耦合值在[110]方向周围的变化始终比在[100]方向周围的变化低得多(至少低一个数量级)，并且对于为量子计算目的提供大范围可用交换值的宽范围距离，被限制在10倍以内。
[0079]
证明[110]方向是最优的并且可以使谷诱发的交换变化最小化，有助于构建鲁棒的并且一致地执行的2量子比特门，并且揭示了用于量子计算架构策略的关键信息，其中例如需要实现鲁棒的双量子比特操作。
[0080]
再者，图6是曲线图600，其示出了对于给定的可调谐性因子，调谐到最大值的量子
比特的百分比。对于实际的可调谐性因子3，与所提出的用于15nm和更大距离的施主量子比特调谐方案一致，如果施主沿着[100]对准，则量子比特的大约50％将被调谐，如602处的虚线轮廓所示。然而，对于与604处的实线轮廓中所示的相同的因子，这个百分比沿着[110]超过90％，达到了要实现的具有高效量子误差校正的全局控制的稳定量子机器的最小产率。对于在[100]方向上的施主，可以达到这个百分比，其中可调谐性因子为大约100，如606处所示(这并非现实的)。
[0081]
因此，沿着[110]方向包络受限制的交换变化构成了用于较大规模的量子计算的有价值资产，因为j值的小变化意味着[110]方向上至少90％的量子比特可以被预期调谐到最大交换相互作用值，使得量子处理系统中至少90％的量子比特可以表现出一致性并且可以被均匀地控制。
[0082]
硅中的施主量子比特
[0083]
图7示出了根据本公开的方面的用于量子处理系统的示例性高度示意性结构700。
[0084]
结构700包括硅晶体衬底702和定位在[001]平面中的硅晶体衬底中的多个施主原子704。特别地，图7示出了施主原子在施主原子位点706内围绕[110]或[
‑
110]方向(它们是等效的晶向)的同一平面中的定位。每个施主位点706包括六个可以放置施主原子704的可能位置，并且在图7中可以看出，施主原子可以占据可能的六个位置中的任一个。
[0085]
在结构700中，使用海森堡交换相互作用，在最近的相邻施主原子(例如，施主原子704a与704b或施主原子704b与704c)之间发生2量子比特操作。施主原子对700之间的交换相互作用的值可以是这样的，即整个结构700上的交换相互作用值的最大变化在预定因子(例如，因子10)内。
[0086]
在[110]方向(或[001]平面)上调谐硅中的施主量子比特
[0087]
在某些实施例中，为了进一步减小图7中所示的施主原子对的交换相互作用值的变化，可以采用调谐电路将交换耦合量值电调谐到最大交换相互作用值。
[0088]
为了实现这一点，在一些情况下，可以在两个施主原子之间使用j门，以将j耦合调谐到特定值(例如，图5d所示的j
max
)。替代地，可以使用a门。
[0089]
在其他实施例中，可以利用交换门。图8示出了可调谐2量子比特门。特别地，图8a示出了具有两个量子比特806和808、具有放置在硅衬底805的顶部上的控制栅极802和804的可调谐2量子比特门800，并且图8b示出了具有两个量子比特806和808、具有放置在平面中(即，[110]平面)的控制栅极802和804的可调谐2量子比特门810。
[0090]
在操作中，控制栅极802和804在两个量子比特之间创建电场(称为失谐场)，这增强了量子比特之间的交换耦合。特别地，失谐场导致来自一个量子比特的部分电荷跃迁到另一个量子比特。系统的电荷配置被表示为(m，n)，其中，m指出了第一施主原子上的电子数量，并且n是第二施主原子上的电子数量。当束缚在一个施主的电子被失谐电场拉向另一个施主时，交换耦合j可以从(1，1)态中的较小的值朝向(2，0)态被设计成的较大值(因为后者中波函数有大的空间重叠)。可以从顶部栅极(参见图8a)或从平面内栅极(参见图8b)施加这种电场。在施主量子比特的两侧上放置失谐栅极消除了对通过j门的灵敏隧道势垒控制的需要。此外，这种设计放宽了对kane架构的施主分离和栅极宽度的更严格的工程要求，导致量子处理系统中总栅极密度的降低。
[0091]
如上面图6中所示，通过使用调谐因子5来调谐相距至少10nm的施主原子，至少
donor atoms in silicon crystal for quantum computer)”描述了可以用于制造本文所述器件的制造工艺的一些方面，其全部内容通过引用并入本文。
[0106]
基于[110]方向硅中的施主量子比特的量子处理器
[0107]
如前所述，多个施主原子以二维矩阵布置设置在硅中的[001]平面中(或沿着[110]方向)。在量子处理器的一些变型中，量子比特可以在施主位点中被编码，施主位点包括布置在簇中的多个施主原子。在这种情况下，量子比特使用簇中施主原子的量子性质的组合来编码。
[0108]
数据量子比特元件在第一组多个施主原子中被编码，并且剩余的施主原子被布置为促进量子误差校正。在第二组施主原子上编码的量子比特在这里也称为“辅助”量子比特。
[0109]
数据和辅助量子比特在相应的施主原子的核自旋中被编码。由于在[001]平面中至少90％的施主原子对可以被调谐到均匀交换值，所以在根据本公开的方面的量子处理器中，可以使用全局磁场同时旋转施主电子和核自旋，该全局磁场可以从外部施加到整个架构。这对于需要磁场的局部(对于每个量子比特)应用的架构提供了实质性的优点。
[0110]
控制结构布置在硅中以与数据量子比特和辅助量子比特相互作用。控制结构的布置允许同时控制多个量子比特。特别地，量子比特可以在分布于矩阵上的图案中同时被控制。可以控制该结构以向每个施主原子并且同时在多个施主原子上加载电子或从每个施主原子并且同时在多个施主原子上卸载电子。
[0111]
现在参考图11a，示出了硅量子计算结构的分解图1120。结构1120被分解成三个不同的硅平面。该结构在同位素纯化的硅28(
28
si)衬底中形成(例如使用参考图9描述的工艺)。特别地，多个施主原子1104沿着[110]方向嵌入硅晶格中。制造该结构的一种可能技术是从纯硅晶片开始，并且利用扫描隧道显微镜的光刻能力以及硅外延在每个平面上制造该结构。在操作中，整个器件被冷却到mk状态，在具有外部施加的(全局)rf和mw控制的大约b＝2t的磁场中操作。
[0112]
两组控制线延伸跨越所述架构。控制线设置在包括施主原子的平面上方的平面上，并且控制线设置在包括施主原子的平面下方的平面上。控制线以十字交叉的构造相对于彼此垂直地布置。在一些实施方式中，控制线可以以不同于90
°
的角度相交。两个平面中的控制线不物理地相交，然而它们限定它们穿过晶格的两个垂直对准部分的相交点。在这些相交中的一些相交周围，形成以重掺杂硅岛1110的形式提供的控制元件。每个岛形成单一电子晶体管(set)，其具有设置在岛上方和下方的相应控制构件。这些控制构件的一对用作晶体管的源极和漏极，并且另一对用作晶体管栅极。
[0113]
在结构1120中，底平面上的控制线被分成两个交错的组1022和1024。控制线1122用作set的漏极，并且控制线1124用作set 1112的栅极。对于顶平面1126和1128上的控制线示出了类似的构造，其分别用作set的源极和栅极。每个set 1112通过相应的控制岛1110与一个或多个施主原子1104相互作用。在所述的实施例中，每个岛1110被配置成与四个施主原子1104相互作用，以形成该架构的单一单元。通过向控制线1126
‑
1124施加电信号，可以控制set 1112，以在该架构中的每个施主原子1104上加载或卸载电子，或者控制一个或多个施主原子的电子或核的自旋取向。此外，施主原子1104和控制线的构造允许在以预定图案同时布置的多个施主原子上加载或卸载电子。例如，电子可以被加载到设置在四边形图
案上的多个施主原子上。
[0114]
现在参考图11b，示出了具有相应的控制线和控制岛的量子比特存储器状态中的施主原子1104的另一视图1130。在这种“存储器”状态下，超精细相互作用自然地正好为零，因为不存在电子。能量示图1150示出了与esr/nmr控制相关的能级。四个能级具有四个允许的跃迁，两个rf nmr跃迁，和两个微波esr跃迁。这些跃迁中的每一个都可以被单独地靶向以执行单一量子比特旋转和电子
‑
核自旋相互作用。
[0115]
通过选择性地将电子加载在特定的施主原子上，可以在该量子处理器架构上选择性地并且同时地执行量子门操作。
[0116]
通过脉冲调制对应的栅极，将电子加载到给定的施主位置上，在电子被加载之后，立即赋予施主在核与电子自旋之间的非零超精细相互作用。这偏移了给定施主核自旋的共振频率。因此，给定的量子比特组可以独立地与全局rf/mw场共振，以影响所希望的单一量子比特门。这是超精细值的高度均匀的数字变化，并且由施主
‑
岛隧穿过程控制，施主
‑
岛隧穿过程可以用原子精度来设计，并且在系统建立阶段中表征。
[0117]
在存储器状态中，量子比特核自旋远离共振，并且不受全局控制场的影响。
[0118]
在最近的相邻核自旋量子比特之间的两个量子比特门也是通过电子加载/卸载操作来控制的。在没有束缚电子的情况下，在这些分离处的核自旋之间的相互作用是可忽略的。然而，当电子加载到邻近原子上时，除了电子感受到的任何交换耦合之外，自旋
‑
自旋偶极相互作用增加了(gμ
b
/g
n
μ
n
)2≈3
×
106的因子，有效地数字地转换了量子比特间的相互作用。在存在全局控制场的情况下，双量子比特逻辑门可以分解成明确定义的单一量子比特和双量子比特相互作用的系列。因此，所有的栅极、初始化和读出最终都由单位单元栅极组控制，并且可以以高度的平行化来实行。
[0119]
美国专利公开us20160125311，“用于量子处理的装置和方法(apparatus and method for quantum processing)”描述了一种以半导体材料实现的量子处理器和操作该量子处理器以实施误差校正量子计算的方法，并且其全部内容并入本文。
[0120]
应当理解，以上实施例中描述的架构允许经由交换相互作用的更好的耦合控制。对于硅衬底中的多个量子比特在交换相互作用值方面具有有限的变化允许更有效地控制量子位，并且提供了朝向基于硅中的施主的误差校正量子计算架构的更可行的路径。
[0121]
本文所用的术语“包括”(及其语法上的变化)以“具有”或“包含”的包括性含义使用，而不是以“仅由其组成”的含义使用。
[0122]
本领域技术人员将理解，在不脱离如广泛描述的本发明的精神或范围的情况下，可以对如具体实施方式中所示的本发明进行许多变化和/或修改。因此，本发明的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的。