以氦用于电子的量子位硬件制造技术

一种系统及使用所述系统的方法，所述系统包括支撑液态氦膜及受垂直于氦膜的表面的方向的映射力限制的电子子系统的基板、以静电限制所述电子子系统的边界的侧栅极、以静电限制位于所述电子子系统的边界外部的电子陷阱的陷阱栅极以及用于选择性地开启及关闭从所述电子子系统到所述电子陷阱的通道的负载栅极，其中开启对所述电子陷阱的访问是向所述负载栅极施加第一负载栅极电压，以允许电子进入所述电子陷阱，而且关闭对所述电子陷阱的访问是向所述负载栅极施加第二负载栅极电压，以防止电子进入所述电子陷阱。电子进入所述电子陷阱。电子进入所述电子陷阱。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】以氦用于电子的量子位硬件


[0001]本专利技术通常涉及用于创建量子计算的量子位硬件以及量子位控制及读取机制的系统及方法。更具体地，本专利技术涉及透过在静电陷阱内部限制驻留在液态氦的一表面的附近的电子来产生量子位，并且透过用电磁波信号探测所捕获的电子的量子状态来量子控制寄读取这种量子位元。

技术介绍

[0002]量子计算是一种利用量子位(qubits)的技术，量子系统可以处于两个量子态|0>及|1>的叠加状态α|0>+β|1>，具有连续变化的参数α和β与典型的位不同，典型的位始终保持在两个典型的状态之一，0或1中。量子计算机的操作可能包括准备量子位状态、两个或更多个单独的量子位的量子纠缠、量子纠缠的系统的量子演化以及与要解决的特定任务相适应的量子算法(代码)，量子纠缠最终状态的量子读数，以及给定量子系统的固有概率性质的纠错机制。量子计算机在许多问题(例如质数分解)上可能优于典型的计算机，这些问题在典型计算机上是不可行的，或者需要成倍增长的资源。尽管提出了各种量子位及读取方法的建议实现方案，但量子计算的可靠实现仍是一项严峻的技术挑战。为了在实际的量子计算中可实现，量子位元不应具有可能影响量子位的量子态相干性的附加自由度。同时，应为单个量子位进行外部耦合，以准备量子位的初始状态并读取其最终状态。量子位应能够在足够长的时间内保持其量子相干性，以用于初始状态准备，量子算法执行及最终状态读取。读取方法的简便性及可靠性仍然是正在进行的量子计算工作的重大瓶颈。由于上述原因，开发现实的量子位及读取方法具有重要的技术重要性。

技术实现思路

[0003]本专利技术的方面和实施将从下面给出的详细描述以及从本专利技术的各个方面和实施的附图更全面地理解，然而，不应将本公开限制为特定方面或实施，但仅用于解释和理解目的。
附图说明
[0004]图1示意性地显示根据一实现方式的示例性系统，所述系统可以用作量子位的电子储存器，并且使用液态氦膜及静电栅极来促进电子限制。
[0005]图2示意性地显示根据一实现方式的示例性系统，所述系统可以实现电子陷阱，并且使用液态氦膜及静电栅极来促进电子限制。
[0006]图3示意性地显示根据一实现方式的用于调节电子陷阱中的电子数量的示例性电子负载方案。
[0007]图4是显示可以实现基于微波及射频的单晶体管的量子位的读取及控制的系统的示例性实施方式及组件的一示意框图。
[0008]图5示意性地显示用于创建使用捕获的电子的横向运动的量子位的电子陷阱的示
例性实施方式。
[0009]图6显示单电子量子位元的一示例性实施方式中利用被捕获的电子的横向运动的电子陷阱中电子的能级的一示例性光谱。
[0010]图7是在一个示例性实施方式中显示用于从漂浮在一氦膜的表面上的电子子系统创建并填充电子陷阱的方法的示例性实施方式的一流程图。
[0011]图8显示使用射频输入信号来读取电容耦合至微波谐振器电路的量子位的状态的方法的示例性实施方式的一流程图。
[0012]图9显示根据本专利技术的一个或多个方面进行操作的典型计算系统的一框图。
具体实施方式
[0013]本专利技术的各方面针对基于表面状态电子以及量子计算的相关联的读取与控制系统及方法的量子位的实现。在一些情况下，可以使用驻留在液态氦膜的表面附近并通过吸引氦气的静电的映射力保持在所述表面附近的电子来实现表面状态电子。静电栅极可用于将电子限制在边界区域内，并且进一步在边界区域外实施电子陷阱，以在其中捕获少量电子。以这种方式捕获的电子的数量可以通过静电栅极来控制，并且在一些实施方式中，可以等于一个。这样的单个电子可以用作量子位。量子位元的量子态|0>和|1>例如可以实现为在陷阱中电子的基态及激发态。在一些实施方式中，量子位的量子态可以是漂浮在液态氦膜的表面上的电子的垂直里德伯格运动态(vertical Rydberg motional states)。在其他实施方式中，量子位的量子态可能是由于电子在工程化静电陷阱内部的量化横向运动。在其他实施方式中，可以通过耦合陷阱中电子的平面外及平面内运动来形成混合双量子位。在这些实施方式中，从每个被捕获的电子形成具有大频率间隔的两个量子位。
[0014]本专利技术的各方面还针对用于实现量子计算的系统的各个组件(及其组件)，例如单电子量子字节、静电陷阱以及相关的微波控制及射频(RF)控制以及具有后处理功能的读出电子设备，后处理功能使用典型数字计算机。在一些实施方式中，可以通过准备具有被调谐到量子位的两个量子态之间的能量差的频率的输入RF信号来执行包含量子字节或多个量子位的系统的RF读取，并将输入信号发送到微波谐振器电路，所述微波谐振器电路包括具有量子位的系统作为电容组件，并检测微波谐振器电路的响应。本文描述的组件可以用于执行单量子位及二量子位元的栅极运算，用于通用量子计算。当缩放到多个量子位(例如，个量子位)时，本文所述的系统及组件可以用于唯一噪声中间尺度量子(noisy intermediate scale quantum，NISQ)计算。本文描述的系统及组件可以用于噪声降低、量子字节纠缠及改进的量子位相干性的进一步发展，以实现完全容错的量子计算平台。
[0015]图1示意性地显示根据一实现方式的示例性系统，所述系统可以用作量子位的电子储存器，并且使用液态氦膜及静电栅极来促进电子限制。所述系统100中的液态氦膜可由一基板102支撑。在一些实施方式中，所述基板102可以是电介质，例如：硅或蓝宝石。所述基板102可以支撑一液态氦膜104。所述液态氦膜可以被多个堆堤106从侧面限制以防止其逸出所述基板102。在一些实施方式中，所述堆堤106可以由介电材料制成，且可以与所述基板102的材料相同或不同。例如，堆堤可以由SiO
x
或SiO2制成，可以通过热蒸发或溅射来沉积堆堤。所述堆堤106的厚度(高度)可以用于确定液态膜的水平。在一些实施方式中，所述堆堤的厚度可以为0.2
‑
1μm，尽管在其他实施方式中，其厚度可以小于或大于所述范围。在一些
实施方式中，所述堆堤106可以被定位成形成液态氦膜的一微通道，如图1所示。可以使用一氦气源(未在图1中明确显示)通过毛细管作用将氦气填充到所述微通道(或所述氦膜104的任何其他配置)中，所述氦气源可能是一个低势氦气大量储存库。
[0016]所述氦膜104可以用作支撑漂浮在氦膜的表面上方的电子108的基板。所述电子108可能被远距映射力吸引到氦膜的表面，这是由于电子的电荷与氦的感应极化相互作用而产生。另一方面，电子108被短距离的氦原子排斥。导致电子108可能被限制在液态氦膜的表面附近，距离表面约50至并具有1meV的结合能。由于映射力结合而产生的电子光谱可以是里德堡型(Rydberg type)。一底栅极(电极)110可以位于基板102的顶部上。在一些实施方式中，底栅极110可以在系统的整个宽度和长度上延伸。在其他本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种系统，包括：一基板，用以支撑一液态氦膜，其中所述液体氦膜用以支撑一电子子系统，所述电子子系统包含多个电子，所述多个电子透过对所述液态氦膜的静电吸引的映射力在垂直于所述液氦态膜的一表面的一方向上被限制；一侧栅极，用以接收一侧栅极电压以静电限制所述电子子系统的一边界；一陷阱栅极，用以接收一陷阱电压以静电限制位于所述电子子系统的边界外部的一电子陷阱；及一负载栅极，用以选择性地开启及关闭从所述电子子系统至所述电子陷阱的一通道，其中开启所述电子子系统至所述电子陷阱的所述通道是施加一第一负载栅极电压至所述负载栅极，以允许所述电子子系统的所述多个电子进入所述电子陷阱，以及关闭所述电子子系统至所述电子陷阱的所述通道是施加一第二负载栅极电压至所述负载栅极，以防止所述电子子系统的所述多个电子进入所述电子陷阱。2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统还包括一电荷传感器，所述电荷传感器电容耦合至所述电子陷阱。3.如权利要求2所述的系统，其中所述电荷传感器包含一单电子晶体管。4.如权利要求1所述的系统，其中所述系统另包括一射频电路，所述射频电路用以产生输出至一致冷器的一射频信号，其中所述致冷器包含所述基板、所述侧栅极、所述陷阱栅极以及所述负载栅极。5.如权利要求4所述的系统，其中所述射频电路包含一放大器，所述放大器用以将一放大器输入射频信号转换为输出至所述致冷器的所述射频信号。6.如权利要求5所述的系统，其中所述射频电路还包含：一波形生成器，所述波形生成器用以输出一第一信号及一第二信号；及一混合器，所述混合器用以接收一本地振盪器输入、所述第一信号及所述第二信号，其中所述混合器用以输出所述放大器输入射频信号。7.如权利要求6所述的系统，其中所述混合器的一同相输入用以接收所述第一信号，所述混合器的一正交输出用以接收所述第二信号。8.如权利要求5所述的系统，其中所述系统还包括一同轴电缆，所述同轴电缆用以传送输出至所述致冷器的所述射频信号。9.如权利要求4所述的系统，其中所述射频电路包含：一放大器，所述放大器用以将一放大器输入射频信号转换为一放大射频信号；及一乘法器，所述乘法器用以将所述放大射频信号相乘以获得的输出至所述致冷器的所述射频信号。10.如权利要求9所述的系统，其中所述系统另包含一波导，所述波导用以传送输出至所述致冷器的所述射频信号。11.如权利要求10所述的系统，其中所述波导是一锥形波导。12.如权利要求4所述的系统，其中所述系统还包括一电荷传感器及一定向耦合器，所述电荷传感器电容耦合至所述电子陷阱，所述定向耦合器耦合至所述电荷传感器。13.如权利要求12所述的系统，其中所述系统还包括：一谐振电路，所述谐振电路耦合在所述定向耦合器及所述电荷传感器之间；一模数转换器，所述模数转换器耦合至所述定向耦合器；及
一时脉器，所述时脉器耦合至所述模数转换器。14.一种实现量子位的方法，所述方法包括：备置一液态氦膜，其中所述液体氦膜用以支撑一电子子系统，所述电子子系统包含多个电子，所述多个电子漂浮在所述液态氦膜的一表面的附近，而且所述多个电子透过对所述液态氦膜的静电吸引的映射力在垂直于所述液氦态膜的所述表面的一方向上被限制；施加一第一第一侧栅极电压至一侧栅极，以静电产生所述电子子系统的一边界；施加一第一陷阱电压至一陷阱栅极，以静电产生位于所述电子子系统的边界外部的一电子陷阱；透过施加一第一负载栅极电压至一负载栅极来开启所述电子子系统的多个电子至所述电子陷阱的一通道，以填充所述电...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰尼斯，
申请(专利权)人：尼雅兹，
类型：发明
国别省市：