基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置及实现方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置及实现方法。本发明专利技术在拓扑半金属单晶纳米结构和超导层的异质结中形成拓扑超导体，通过顶栅和背栅的双栅电压调控载流子迁移率，从而调控量子限制效应，使纳米结构的电子能带结构的拓扑性质发生变化，在拓扑能带区间的两端各形成一个马约拉纳量子态，并通过栅压调控拓扑相变对马约拉纳量子态进行编织操作，以物理构筑拓扑量子比特；本发明专利技术基于拓扑半金属纳米结构的拓扑相变，构建马约拉纳量子态，保证马约拉纳量子态不会因波函数重叠而退相干，提高了拓扑量子比特器件的鲁棒性；马约拉纳量子态的编织操作只需纯电学调制，无需外加磁场，操作简单，有利于拓扑量子比特的集成和应用。集成和应用。集成和应用。

【技术实现步骤摘要】
基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置及实现方法


[0001]本专利技术涉及拓扑量子计算领域，具体涉及一种基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置及其实现方法。

技术介绍

[0002]在后摩尔时代，为了满足人类生产生活实践中对计算性能日渐增长的需求，科学家们一直以来在探索具有优越性的量子计算。量子计算机物理实现的最大障碍是量子退相干，而拓扑量子计算因其信息存储非局域性，以及拓扑保护赋予的容错特性，在量子信息的存储和处理中将具有更高的效率、更高的抗干扰能力及稳定性等。
[0003]5/2分数量子霍尔效应是实现拓扑量子计算的潜在体系之一，但需要强磁场的实验条件。另一种候选体系是拓扑超导体中的马约拉纳（Majorana）非阿贝尔任意子准粒子，微软公司利用一维半导体纳米线两端的马约拉纳量子态，通过交换马约拉纳量子态进行计算操作，提出了融合拓扑量子比特的技术。但是，这种方案需要沿纳米线方向外加约100 毫特斯拉的磁场，不利于产品封装和集成。
[0004]基于射频超导量子干涉仪（radio frequency superconducting quantum interference device, rf
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SQUID)技术，中科院物理所研究团队提出，在拓扑绝缘体薄膜体系中通过门电极调控两个rf
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SQUID的耦合，从而实现拓扑量子比特的装置方案，如图1所示，最底层是拓扑绝缘体01，在拓扑绝缘体的中心表面上蒸镀氧化铝绝缘层02，在绝缘层上设置金属电极03，在拓扑绝缘体的表面且位于绝缘层的两侧分别设置第一和第二超导电极R1和R2，超导电极包括一个环形电极和一对平行电极连接至绝缘层，在第一和第二超导电极的两侧分别设置第一和第二金属线L1和L2，金属线通电产生磁场，从而改变超导电极内的磁通，形成四个马约拉纳量子态γ1~γ4。这种方案解决了原先沿着结区方向有相位差的问题，但仍存在不足：当Majorana量子态距离很近时，其波函数容易产生重叠而退相干，从而导致拓扑量子比特失效；需要通过给超导线加电流产生磁场，从而微调超导环内的磁场，操作难度较大。
[0005]可见，现有技术实现拓扑量子比特的方案操作难度大，而且不利于封装和集成。

技术实现思路

[0006]为了解决上述现有技术中的困难，本专利技术提出了一种基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置及其实现方法，在拓扑半金属
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超导体异质结中，构建马约拉纳（Majorana）量子态，通过顶栅和背栅的双栅电压调控实现马约拉纳量子态的产生、湮灭操作，以及实现马约拉纳量子态的编织，最终实现拓扑量子比特的物理构筑。
[0007]本专利技术的一个目的在于提出一种基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置。
[0008]本专利技术的基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置包括：基底、拓扑半金属单晶纳米结构、超导层、绝缘层、顶栅和背栅；其中，基底采用表面具有绝缘层的半导体材料；在基底的上表面定位转移拓扑半金属单晶纳米结构，在拓扑半金属单晶纳米结构的表
面沉积超导层，超导层与拓扑半金属单晶纳米结构形成异质结；超导层包括第一至第三超导薄膜，第一和第二超导薄膜的水平形状分别为等腰三角形，第一和第二超导薄膜的顶角互补，且顶角朝向中心，第一和第二超导薄膜相邻的腰互相平行，第三超导薄膜的水平形状为直角三角形，第三超导薄膜的斜边与第一和第二超导薄膜的另一条腰平行；三个超导薄膜之间形成量子态编织通道，量子态编织通道位于拓扑半金属纳米结构中；采用原子层沉积镀膜技术，在超导层和拓扑半金属单晶纳米结构的表面生长介质材料形成绝缘层；在绝缘层上通过电子束沉积镀膜形成顶栅，顶栅包括多个长条形的独立金属电极排成相同的两列，每一列包括多个均匀分布的长条形的独立金属电极，将拓扑半金属纳米结构分割成多个小区域，从而精确控制拓扑半金属纳米结构的电子能带结构的拓扑性质在实空间的分布；在基底的下表面形成背栅；顶栅的每一个独立金属电极以及背栅分别连接至各自对应的直流源；通过顶栅和背栅施加外加电压形成外加电场，外加电场的方向垂直于基底的表面，通过改变背栅上加电压的极性或大小，使得拓扑半金属单晶纳米结构整体处于电荷中性点，并且通过顶栅上加电压的极性，分别调节拓扑半金属纳米结构的各个小区域：顶栅加正电压，使得载流子是n型，由于n型对应的电子载流子的平均自由程远大于拓扑半金属单晶纳米结构的厚度，且电子迁移率较大，受到量子限制效应的影响，能带变为有能隙的分立能级结构，对应的拓扑半金属纳米结构的区域是非拓扑的，顶栅加负电压，使得载流子是p型，由于p型对应的空穴载流子的平均自由程小于拓扑半金属单晶纳米结构的厚度，且空穴迁移率较小，不受量子限制效应的影响，从而能带依旧是无能隙的狄拉克线性色散关系，使得对应的区域是拓扑的，拓扑的产生马约拉纳量子态，非拓扑的不产生马约拉纳量子态，从而通过顶栅和背栅的双栅电压调控量子限制效应，使得拓扑半金属纳米结构的电子能带结构的拓扑性质发生变化，实现拓扑相变，使拓扑半金属纳米结构的电子能带结构的拓扑性质在实空间重新分布，从而通过顶栅和背栅的双栅电压调控实现马约拉纳量子态的产生和湮灭；通过顶栅和背栅的双栅电压调控，使拓扑半金属纳米结构的电子能带结构的拓扑性质在实空间重新分布，从而使得位于拓扑半金属纳米结构中的量子态编织通道的电子能带结构在施加负电压顶栅所在的两段区间是拓扑的，在每段区间的两端各形成一个马约拉纳量子态，从而在量子态编织通道形成第一至第四马约拉纳量子态γ1~γ4，定义第一至第四个马约拉纳量子态的初态为拓扑量子比特的|0>态，定义交换第二和第三个马约拉纳量子态γ2和γ3后的状态为拓扑量子比特的|1>态；通过顶栅进行栅压调控，改变两段区间位置，对马约拉纳量子态进行编织操作，改变拓扑量子比特的状态为|0>态和|1>态的叠加态，从而通过纯电学调制四个马约拉纳量子态，以物理构筑拓扑量子比特。
[0009]基底的材料采用表面覆盖二氧化硅的硅。
[0010]拓扑半金属单晶纳米结构采用砷化镉（Cd3As2）或铋化钠（Na3Bi），厚度≤60 nm。
[0011]电流注入电极采用金或钯。
[0012]超导层采用铌、氮化铌和铝中的一种。
[0013]绝缘层采用氧化铝或氧化铪。
[0014]顶栅采用金或钯。
[0015]背栅采用硅。
[0016]本专利技术的另一个目的在于提出一种基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装
置的实现方法。
[0017]本专利技术的基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置的实现方法，包括以下步骤：1) 装置搭建：a) 提供基底，基底采用表面具有绝缘层的半导体材料；b) 在基底的上表面定位转移拓扑半金属单晶纳米结构；c) 在拓扑半金属单晶纳米结构的表面沉积超导层，超导层与拓扑半金属单晶纳米结构形成异质结；超导层包括第一至第三超导薄膜，第一和第二超导薄膜的水平形状分别为等腰三角形，第一和第二超导薄膜的顶角互补，且顶角朝向中心，第一和第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置，其特征在于，所述基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置包括基底、拓扑半金属单晶纳米结构、超导层、绝缘层、顶栅和背栅；其中，基底采用表面具有绝缘层的半导体材料；在基底的上表面定位转移拓扑半金属单晶纳米结构，在拓扑半金属单晶纳米结构的表面沉积超导层，超导层与拓扑半金属单晶纳米结构形成异质结；超导层包括第一至第三超导薄膜，第一和第二超导薄膜的水平形状分别为等腰三角形，第一和第二超导薄膜的顶角互补，且顶角朝向中心，第一和第二超导薄膜相邻的腰互相平行，第三超导薄膜的水平形状为直角三角形，第三超导薄膜的斜边与第一和第二超导薄膜的另一条腰平行；三个超导薄膜之间形成量子态编织通道，量子态编织通道位于拓扑半金属纳米结构中；采用原子层沉积镀膜技术，在超导层和拓扑半金属单晶纳米结构的表面生长介质材料形成绝缘层；在绝缘层上通过电子束沉积镀膜形成顶栅，顶栅包括多个长条形的独立金属电极排成相同的两列，每一列包括多个均匀分布的长条形的独立金属电极，将拓扑半金属纳米结构分割成多个小区域，从而精确控制拓扑半金属纳米结构的电子能带结构的拓扑性质在实空间的分布；在基底的下表面形成背栅；顶栅的每一个独立金属电极以及背栅分别连接至各自对应的直流源；通过顶栅和背栅施加外加电压形成外加电场，外加电场的方向垂直于基底的表面，通过改变背栅上加电压的极性或大小，使得拓扑半金属单晶纳米结构整体处于电荷中性点，并且通过顶栅上加电压的极性，分别调节拓扑半金属纳米结构的各个小区域：顶栅加正电压，使得载流子是n型，由于n型对应的电子载流子的平均自由程远大于拓扑半金属单晶纳米结构的厚度，且电子迁移率较大，受到量子限制效应的影响，能带变为有能隙的分立能级结构，对应的拓扑半金属纳米结构的区域是非拓扑的，顶栅加负电压，使得载流子是p型，由于p型对应的空穴载流子的平均自由程小于拓扑半金属单晶纳米结构的厚度，且空穴迁移率较小，不受量子限制效应的影响，从而能带依旧是无能隙的狄拉克线性色散关系，使得对应的区域是拓扑的，拓扑的产生马约拉纳量子态，非拓扑的不产生马约拉纳量子态，从而通过顶栅和背栅的双栅电压调控量子限制效应，使得拓扑半金属纳米结构的电子能带结构的拓扑性质发生变化，实现拓扑相变，使拓扑半金属纳米结构的电子能带结构的拓扑性质在实空间重新分布，从而通过顶栅和背栅的双栅电压调控实现马约拉纳量子态的产生和湮灭；通过顶栅和背栅的双栅电压调控，使拓扑半金属纳米结构的电子能带结构的拓扑性质在实空间重新分布，从而使得位于拓扑半金属纳米结构中的量子态编织通道的电子能带结构在施加负电压顶栅所在的两段区间是拓扑的，在每段区间的两端各形成一个马约拉纳量子态，从而在量子态编织通道形成第一至第四马约拉纳量子态γ1~γ4，定义第一至第四个马约拉纳量子态的初态为拓扑量子比特的|0>态，定义交换第二和第三个马约拉纳量子态γ2和γ3后的状态为拓扑量子比特的|1>态；通过顶栅进行栅压调控，改变两段区间位置，对马约拉纳量子态进行编织操作，改变拓扑量子比特的状态为|0>态和|1>态的叠加态，从而通过纯电学调制四个马约拉纳量子态，以物理构筑拓扑量子比特。2.如权利要求1所述的基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置，其特征在于，所述基底的材料采用表面覆盖二氧化硅的硅。3.如权利要求1所述的基于拓扑半金属纳米结构的拓扑量子比特装置，其特征在于，所述拓扑半金属单晶纳米结构采用砷化镉或铋化钠，厚度≤60 nm。4.如权利要求1所述的基于拓扑半金属纳米结...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖志敏，初纯光，王安琦，李娜，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：