基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位制造技术

本发明专利技术涉及一种基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，是量子计算处理器的基本单元。所述基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，它的第一个主自由度分配给写入操作，第二个主自由度分配给读出操作，其中第一和第二主自由度之一是一个自旋电子电荷，而另外一个也是一个自旋电子电荷。本发明专利技术的量子位可以在保持长达150ms以上的Rabi干涉。本发明专利技术的晶体管是量子计算机处理器的关键元件，将开启人类历史上室温量子计算的时代。本发明专利技术工艺简单，易于集成，可用于开发大规模量子计算处理器芯片。

Fermi lepton qubit based on self excitation spin single electron field effect transistor

The invention relates to a Fermi lepton quantum bit based on a self-excited spin single-electron electromagnetic field effect transistor, which is the basic unit of a quantum computing processor. The Fermi lepton quantum bit based on the spin-excited single-electron electromagnetic field effect transistor is characterized in that its first main degree of freedom is assigned to the write operation and the second to the read-out operation, in which one of the first and second main degrees of freedom is a spin electron charge and the other is also a spin electron charge. Spin electron charge. The qubits of the invention can interfere with Rabi for up to 150ms. The transistor of the present invention is a key component of a quantum computer processor and will open the era of room temperature quantum computing in human history. The invention is simple and easy to integrate, and can be used for developing large-scale quantum computing processor chips.

【技术实现步骤摘要】
基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位
本专利技术属于计算机科学与
，具体涉及一种基于掺杂纳米线碳化硅多型互嵌晶体制造的自激励自旋单电子电磁晶体管的室温自旋电子量子位器件，是量子计算处理器的基本单元。
技术介绍
这个元件构成生产量子位基本单元，属于量子计算领域，也称之为量子位。这个元件是一个物理器件，它只有两个量子态，例如，基态和激发态，构成两能级结构。它可由态矢量|0＞和|0＞标识，这个元件可处于相干叠加态，叠加态表示为：a|0＞+b|1＞这里系数a和b对应态归一化后的任意值。一个量子比特能够由外部控制来操作，它可以执行单位矩阵U操作，这里指矩阵U这个量子比特的态空间。特别地，能制备这个量子比特的两个量子态的任意相干叠加态a|0＞+b|1＞。这个量子位要具有足够长的相干时间，完成操作，且与其它一个或多个量子位耦合，产生逻辑门。量子位间满足以上条件才能够耦合和结合，执行量子逻辑操作，用于量子计算机处理器。目前，两种量子位较为流行。一种是基于天然的量子客体，如一种离子或原子核自旋，它们的相干时间长达几秒，可集成度低。另一类是基于装配类，如采用微技术的超导体和电气电路，容易集成但其相干时间非常短。目前的量子计算机有光子技术、离子阱和超导体，前者不易集成，不能达到完成量子计算所需的量子位，后两者必须在低温下工作。为了克服这个缺陷，本专利技术着眼于制造室温下能够运行的量子位，采用微技术制造室温下可运行的量子位，潜在地可以集成大规模集成量子位，满足量子计算处理器需要。此外，超导量子计算机的相干时间短，且量子位脆弱，与环境作用相消干。只能进行绝热量子计算和特俗算法，这限制了超导量子计算机的用途。
技术实现思路
针对以上量子计算机相干时间短、低温运行等不能制造手持式量子计算机且只能进行绝热迭代等特殊算法限制，需要开发量子计算机的处理器的室温单元器件。首先要有室温下能够运行的类似低温下超导josephoson结量子效应的器件。但由于量子效应的脆弱性，在环境等噪声的散射下，量子易失相，以至于相干时间非常短，这是建造量子计算机的一个障碍。那么发现能够在室温下强健的量子位是关键。碳化硅中存在有能够在室温下运行的的自旋电子相干现象，它在室温下相干时间达毫秒级，参看文献Abram.L.Faulk，Bob.B.Buckley，GregCalusine，WilliamF.Koehl，ViatcheslavV.Dobrivitski，AlbertoPoliti，ChristianA.Zorman，PhilipX.L.Feng，andDavidD.Awschalm.Polytypecontrolofspinqubitsinsiliconcarbide.Naturecommunications，4：1819，2013。本专利技术以自激励电磁晶体管室温下在栅极和衬底施加电压超过阈值的情况下，源漏极出现严格周期的各一半的顺时针和逆时针循环电流(circulatingcurrent)，其源漏I-V曲线谐振显示出相干量子动力学，这种量子位特性标志双能级系统，可构造室温稳定的量子位器件。单只晶体管的电学特性可由以下方程描述：在研究纳米线碳化硅的过程中，观察到一种随着源漏电压升高，加栅极电压超过阈值时候，源漏自旋电子电流发生等幅振荡，随时间变化为矩形或退化为正弦波形。这里的等幅振荡自旋电流是单电子库伦阻塞电流。若晶体管不加栅极电压，不会产生自旋电子电流等幅振荡，晶体管只是很小的隧穿电子电流。若施加栅极电压到一定值时，产生隧穿电流的等幅震荡。可以总结为：其中Im——穿过纳米线的最大自旋电流，其极值为10pA～100nA；晶体管产生的阈值电压VT为阈值以上有效直流栅极电压Vg、源漏电压Vds及其衬底电压的和：VT＝Vg+Vsubstrate+Vds其中的任意一个量不能同时为零。当栅极电容超过一定的值，但又在一个有效范围内，通过纳米线的源漏电流与电压的关系为其中Im为最大源漏电流，Δ＝δVds/Vdsmax，i＝0，±1，±2，±3，……，它是在有效总电压下，源漏电压Vds在其有效源漏最大值范围内第i个的变化增量，属于归一化值；Vdsmax是有效产生自旋电子电流范围的源漏电压。δVds为有效源漏电压范围内，等值增量。否则，方程演化为V(t)＝k0VT..........0≤VT≤Vdshdk0-constant(3)n为整数，ωn为第n个源漏电压增量对应的晶体管源漏电流的角频率，Vn为第n个源漏电压的增量。晶体管源漏电流发出的电磁波频率符合如下关系：ΔVT为总电压的等增量值，e——电荷，h——普朗克常数，常数2此处表示分数电荷，取值为2。Rabi频率与阈值电压呈线性关系。晶体管制作工艺：这个晶体管是在硅/氧化硅上沉积碳化硅纳米线多型互嵌晶体，沉积氧化硅，经过光刻技术，刻蚀露出纳米碳化硅线晶体两端，沉积钯金属薄膜，刻蚀构造源漏极，再沉积氧化硅薄膜，在其上沉积金属薄膜银，构造栅极。这就完成了自激励电磁自旋电子晶体管的构造。(具体可以参考专利技术人申请的专利201510222164.3自激励自旋单电子电磁场效应晶体管、制备方法及应用一文。)栅极与纳米线碳化硅之间的电容的自旋电荷密度决定系统的运行点。其中，纳米线碳化硅的电导率、栅极绝缘层厚度决定的分布式电容是主要因素。用两个结构相同但电学参数差别大的自激励电磁自旋电子晶体管构建一个电路，前者为晶体管有源区出现自旋电子电流构成的量子位，用于写入信息。而后者同样具有这个性质，这个晶体管用于检测前者的信息，用于读出前者端口的信息。两只晶体管制造工艺不同。前者晶体管中半导体纳米线电导率在0.01～100S/cm，电容在10-5F/cm2；后者的电导率为前者1～10倍，电容更加大。两者呈并联连接。这是一个量子位模块。所有这样的晶体管模块集成构成量子位。两个晶体管栅极施加不相同的可调节的直流偏置电压，源漏电压以同样形式施加。这个自旋电流箱构成的回路室温下源漏I-V测试曲线显示精确的各占半周期的自旋顺时针和逆时针环电流，并且形成等幅谐振，且这个谐振延迟达秒级，利用这个特性构造量子位。其谐振显示了Rabi谐振和Ramsey干涉条纹，这是量子位器件的条件之一。第二是可以提高输出数据的保真度。三是是可以通过半导体工艺制造技术，把量子位器件集成到一块衬底上，可以大规模集成，四是本自旋电子箱只需自旋电子运行，所以只有一个主自由度——自旋电子或者手性电子，它在室温下量子位强健性，使构造量子线路量子计算机具有可能。鉴于此，本专利技术的目的是提供一种基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，它的第一个主自由度分配给写入操作，第二个主自由度分配给读出操作，其中第一和第二主自由度之一是一个自旋电子电荷，而另外一个也是一个自旋电子电荷。进一步地，第一主自由度分配给写入操作的是一个自旋电子电荷，分配给读出操作的第二主自由度是一个自旋电子电荷。一种基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，它的第一个主自由度分配给写入操作，第二个主自由度分配给读出操作，其中第一和第二主自由度之一是一个自旋电子电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，它的第一个主自由度分配给写入操作，第二个主自由度分配给读出操作，其中第一和第二主自由度之一是一个自旋电子电荷，而另外一个也是一个自旋电子电荷。

【技术特征摘要】
1.一种基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，它的第一个主自由度分配给写入操作，第二个主自由度分配给读出操作，其中第一和第二主自由度之一是一个自旋电子电荷，而另外一个也是一个自旋电子电荷。2.根据权利要求1所述的基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，第一主自由度分配给写入操作的是一个自旋电子电荷，分配给读出操作的第二主自由度是一个自旋电子电荷。3.一种基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，它的第一个主自由度分配给写入操作，第二个主自由度分配给读出操作，其中第一和第二主自由度之一是一个自旋电子电荷，而另外一个也是一个自旋电子，它包含：一个自激励自旋电磁单电子晶体管模块包含第一个和第二个自激励自旋电磁单电子晶体管，它们定义了一个闭合的晶体管环路，形成一个自旋电子量子位；一个写入电路包含一个晶体管的栅极和掺杂纳米线碳化硅多型互嵌晶体形成栅极电容，栅电极电容性地耦合到有源区，允许这个量子位置于量子位的两个基态的一个或另一个，或者这些态的相干叠加中，一个源于可调电压源的偏压Vg施加到栅电极上；一个读出电路含有一个读自激励自旋电磁单电子晶体管插入所述的晶体管环路，它的有源区电导率是第一和第二个晶体管的2倍以上。4.根据权利要求3所述的基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，晶体管环路由这样一种方式构成，量子位的跃迁频率f0能够调整到一个值，它对于外部参数和扰动是静态的。5.根据权利要求3所述的基于自激励自旋单电子电磁场效应晶体管的费米轻子量子位，其特征在于，它包括了能够感应一个穿过晶体管环路的可调节磁通量的部件，通过作用在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洪涛，张泽森，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42