CN103959464A - 具有横向电极的量子阱装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种设备，其包含：衬底，其具有平面顶部表面；晶体半导体层序列，其位于所述平面表面上；以及第一及第二组电极，其位于所述序列上方。所述晶体半导体层序列在其中具有2D量子阱。所述第一组电极界接所述序列的横向区域的相对侧且为可控制的，以使所述量子阱的非耗尽部分的宽度沿着所述顶部表面变化。所述第二组电极界接所述序列的所述横向区域与第一及第二邻近横向区之间的第一及第二沟道且为可控制的，以使所述量子阱的非耗尽分段的宽度在所述沟道中变化。所述电极经定位成使得经由所述沟道而连接所述第一及第二横向区的直线在所述电极中的一者与所述衬底之间通过或与所述序列的有效晶格方向不对准。

Description

具有横向电极的量子阱装置

相关申请案交叉参考

此申请案主张罗伯特L.威利特(Robert L.Willett)于2011年12月2日提出申请的第61/566357号美国临时申请案的权益。

技术领域

本发明一般来说涉及半导体量子阱装置及用于制作及/或使用此类装置的方法。

背景技术

此章节介绍可有助于促进对本发明的更好理解的方面。因此，此章节的陈述应以此观点来阅读且不应理解为对先前技术或非先前技术的认可。

分数量子霍尔效应(FQHE)在强外部磁场中产生由电荷载子之间的集体效应导致的一组特殊均衡状态。所述特殊均衡状态以磁性朗道能级的特殊填充值而发生，此发生于外部磁场中。在此些特殊均衡状态中，所陷获二维电荷载子气体(2DCCG)可表现为不可压缩流体液滴，且电流可经由流体液滴的边缘上的激发而通过此气体进行输送。

一些FQHE系统可提供量子计算机的实现，针对所述量子计算机，多激发状态遵从非阿贝尔统计。因此，可使用此些多激发状态来表示量子计算机中的量子位的状态。非阿贝尔统计的拓扑性质可保护此些状态在物理系统中免受扰乱。因此，此些激发状态可达成其中对计算错误的感受性可比在量子计算机的其它实现中低得多的量子计算机的实现。

发明内容

一个实施例是一种设备，其包含：衬底，其具有平面顶部表面；晶体半导体层序列；其位于所述顶部平面表面上；以及第一及第二组电极，其位于所述序列上方。所述晶体半导体层序列在其中具有二维(2D)量子阱。所述第一组电极界接所述序列的横向区域的相对侧且为可控制的以使所述量子阱的非耗尽部分的宽度沿着所述顶部表面变化。所述第二组电极界接所述序列的所述横向区域与第一及第二邻近横向区之间的第一及第二沟道且为可控制的以使所述量子阱的非耗尽分段的宽度变化。所述电极经定位使得经由所述沟道而连接所述第一及第二横向区的直线在所述电极中的一者与所述衬底之间通过或与所述晶体半导体层序列的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向不对准。

在上述设备中的任一者中，所述序列可实质上沿着所述半导体层的实际[0 0 1]晶格方向定向且所述有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向可为所述层的实际 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向。

在上述设备中的任一者中，所述序列可包含一组III-V族半导体合金。

在上述设备中的任一者中，所述电极可经定位使得所述直线与所述有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向不对准达至少10度。

在上述设备中的任一者中，所述设备可进一步包含位于所述横向区域上方的至少两个点状电极。

在上述设备中的任一者中，所述第二组的所述电极可操作以反向散射沿着所述量子阱中的FQHE液滴的一个边缘传播到所述FQHE液滴的相对边缘的边缘电流。

在上述设备中的任一者中，另一组所述电极可位于所述序列上方且邻近所述序列的第二横向区域的相对侧而定位。所述两个横向区是不相交的，且所述电极中的一些电极为可控制的以使沟道的非耗尽分段沿着所述顶部表面的宽度在所述量子阱中所述两个横向区域之间变化。某一此类设备可进一步包含位于所述两个横向区域中的每一者上方的至少一个点状电极。某一此类设备可进一步包含位于所述序列上方在所述点状电极之间及在一对门控电极之间的桥式电极，其中所述桥式电极可操作以在所述点状电极之间输送集中FQHE激发。

在另一实施例中，一种方法包含：将2DCCG的FQHE液滴约束于半导体层序列的中心及外部横向区域以及所述半导体层序列的沟道。所述沟道将所述中心横向区域连接到所述外部横向区域，且经由所述沟道而连接所述外部横向区域的每一直线横穿2DCCG耗尽的区域或与所述半导体层序列的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向不对准。所述方法还包含对位于所述FQHE液滴在所述中心区域中的一者中的一部分上方的第一电极进行电压偏置以在其中局部地陷获带电准粒子激发。

在一些实施例中，所述上述方法可进一步包含将另一带电准粒子激发从所述第一电极传送到位于所述FQHE液滴的横向远端第二部分上方的第二电极。所述横向远端部分位于所述中心横向区域中的另一者中。

在一些实施例中，所述上述方法中的任一者可进一步包含改变控制位于所述第一电极与所述第二电极之间的沟道的顶部电极的电压偏置，使得准粒子或边缘激发在所述FQHE液滴的两个边缘之间反向散射。

在一些实施例中，所述上述方法中的任一者可进一步包含确定由所述局部陷获步骤产生的FQHE状态的值。

在一些实施例中，所述上述方法中的任一者，所述序列沿着所述序列的半导体层的实际[0 0 1]晶格方向定向，且所述有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向是所述层的实际 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向。

附图说明

图1是示意性地图解说明用于维持及操纵二维电荷载子气体(2DCCG)的FQHE液滴中的激发状态的设置的斜视图；

图2A是用于(例如，在具有图1的设置的情况下)操纵FQHE液滴的激发状态的平面结构的一个实施例的俯视图；

图2B是用于(例如，在具有图1的设置的情况下)操纵FQHE液滴的激发状态的平面结构的另一实施例的俯视图；

图2C是用于(例如，在具有图1的设置的情况下)操纵FQHE液滴的激发状态的平面结构的又一实施例的俯视图；

图3A及3B是用于(例如，在具有图1的设置的情况下)操纵FQHE液滴的激发状态的平面结构的替代实施例的俯视图；

图4A及4B是用于(例如，在具有图1的设置的情况下)操纵FQHE液滴的激发状态的平面结构的替代实施例的俯视图；

图5A及5B是用于(例如，在具有图1的设置的情况下)操纵FQHE液滴的激发状态的平面结构的替代实施例的俯视图；

图6A是图1的平面结构(例如，图2A、2B、2C、3A、3B、4A、4B、5A及5B的平面结构)的一个层序列的横截面图；

图6B用曲线图表示随图6A的平面结构的实施例的由铝(Al)、镓(Ga)及/或砷(As)的合金形成的二维(2D)量子阱结构的垂直深度而变的铝(Al)百分比；且

图7是示意性地图解说明操纵FQHE液滴的激发状态(例如，使用图2A、2B、2C、3A、3B、4A、4B、5A及/或5B的呈图1的设置的平面结构)的方法的流程图。

在各图及文本中，相似元件符号是指功能及/或结构类似元件。

在各图中，可能放大一些特征的相对尺寸以较清楚地图解说明其中的设备。

在本文中，通过说明性实施例的各图及具体实施方式较全面地描述各种实施例。然而，本发明可体现为各种形式且不限于说明性实施例的各图及具体实施方式中所描述的特定实施例。

具体实施方式

罗伯特L.威利特于2011年12月2日提出申请的第61/566357号美国临时申请案以全文引用的方式并入本文中。

在本文中，晶体层的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向是指所述层的实际 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向及所述层的 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 样生长方向。 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 样生长方向是沿着晶体层的生长表面的方向，针对所述方向，外延生长与针对沿着所述生长表面的其它方向相比相对较快。此层的表面形态通常包含主要沿着此 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 样生长方向对准的单位晶胞或原子标度阶梯或者较大标度线。作为实例，对于沿着层的实际[001]晶格方向外延生长且具有满足0≤x≤1的合金参数x的Al_xGa_[1-x]As层，此些线或者单位晶胞或原子标度阶梯通常主要视为沿着所述层的实际 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向对准。

图1图解说明用于(例如)通过干扰分数量子霍尔效应(FQHE)液滴的边缘激发而操纵FQHE液滴的激发状态的硬件设置10。硬件设置10包含平面半导体装置12、低温冷却系统14及磁铁16。

硬件设置10可(例如)用于在强磁场中操纵电荷载子的FQHE流体的激发。对于此些示范性使用，平面半导体装置12可(例如)针对外部磁场H的朗道能级的各种选定填充因子而将二维电荷载子气体(2DCCG)的液滴横向约束于所述能级中。对于大于2的填充因子(例如，在(2,4)的开集范围中)，平面半导体装置12可用于形成及/或操纵可遵从非阿贝尔统计的FQHE流体的激发，例如，在大约5/2、12/5或7/2的填充因子处。在一些实施例中，此些FQHE状态可提供量子计算机中的量子位的表示。明确地说，硬件设置10可用于产生、改变及/或检查量子位的此些表示的值。举例来说，量子位的个别状态可对应于FQHE液滴的不同电流携载状态，例如，此FQHE液滴的不同边缘状态。

在硬件设置10中，半导体装置12包含层序列18、电流携载及/或电压测量导线22、电控制导线24及晶体衬底26。层序列18包含用于垂直约束2DCCG的二维(2D)量子阱结构。半导体装置12还包含用于横向约束2DCCG的不可压缩FQHE液滴的一部分的顶部操作电极36。顶部电极36还可用于操纵所述FQHE液滴的横向边缘及/或激发。

在硬件设置10中，层序列18是位于衬底26的平面表面上方或直接在其上的晶体半导体层序列。所述半导体层序列形成2D量子阱。层序列18具有平面顶部表面，且其中的个别晶体半导体层通常平行于所述平面顶部表面而延伸。在所述序列中，个别半导体层可为(例如)III-V族半导体的经掺杂及/或未掺杂合金。举例来说，序列可包含砷化镓(GaAs)及砷化铝镓的层(即，Al_xGa_[1-x]As层)，其中合金参数“x”可在层间变化。在此些实施例中，序列可(例如)沿着个别III-V半导体层的[001]晶格方向延伸，使得其实际 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向近似沿着序列的平面顶部表面展开。掺杂剂原子优选地远离约束2DCCG的半导体层。即，半导体层序列优选地是经掺杂的调制，使得所述掺杂剂原子位于远处且较少扰乱所约束2DCCG。

在硬件设置10中，顶部操作电极36横向于FQHE液滴(即，横向沿着层序列18的顶部表面)而定位。顶部操作电极36经连接以使得能够控制及操纵垂直约束的2DCCG的FQHE液滴。顶部操作电极36可用于使此FQHE液滴的一部分的横向区变化，即，沿着层序列18的顶部表面。顶部操作电极36还可用于反向散射此FQHE液滴上的边缘激发及/或用于导致及控制此些边缘激发的干扰。在一些实施例中，顶部操作电极36可初始化及/或改变由此FQHE液滴的电流状态表示的量子位的状态。

在设置10中，低温冷却系统14能够将平面结构18冷却到足够低以产生FQHE状态的温度，例如，在5/2、12/5及/或7/2的填充因子处。明确地说，低温冷却系统14可能够将平面结构18冷却到低于150毫开氏度(mK)的温度，例如，50mK到150mK；优选地冷却到低于100mK的温度，例如，100mK到大约50mK；且可能冷却到低于50mK的温度，例如，大约20mK。低温冷却系统14可包含用于产生此冷却的(例如)常规He³、He⁴稀释制冷机。

在硬件设置10中，磁铁16可产生接近且垂直于层序列18的顶部表面的中强外部磁场H，例如，其量值为大约5特斯拉或5特斯拉以上的磁场。磁场H足够大以产生2DCCG中的所要FQHE状态，例如，其中磁性朗道能级具有大约5/2、12/5或7/2的填充因子的状态。磁场H在层序列18上方可为(例如)实质上均匀的。

在硬件设置10中，电流携载及电压测量导线22可携载电流及/或(例如)经由常规4端子布置而实现对2D量子阱中的横向约束的2DCCG的电压测量。控制导线24可经操作以部分地或完全地耗尽2DCCG的2D量子阱的选定横向区域，使得将2DCCG的FQHE液滴约束于2D量子阱的选定横向区域。在本文中，耗尽是指其中半导体结构或2D量子阱的横向区域耗尽约束于其的2DCCG的电荷载子的情况。

图2A到2C图解说明图1的平面结构12的各种替代实施例12A、12B、12C。从底部到顶部，平面结构12A到12C中的每一者包含晶体衬底26及包含至少下部势垒层、邻近阱层及邻近上部势垒层的层序列。即，层序列包含至少形成2D量子阱的晶体半导体层。

在层序列的顶部表面上方，平面结构12A到12C包含第一组顶部电极44A、44B及第二组顶部电极42A、42B、42C、42D。第一组的顶部电极44A、44B邻近层序列的横向中心区域C1的相对侧而定位。第二组的顶部电极42A到42D邻近将中心区域C1连接到层序列的相应左边横向区域L及右边横向区域R的第一沟道48及第二沟道50的横向侧而定位。即，顶部电极44A到44B及42A到42D的边界界定层序列的中心区域C1、左边区域L及右边区域R的横向边界。明确地说，中心区域C1、左边区域L及右边区域R以及沟道48、50界定为层序列的横向区域，所述横向区域不位于顶部电极44A到44B、42A到42D中的任一者的一部分与衬底26(图2A到2C中未展示)之间。

所述层序列的半导体层为晶体且可具有(例如)沿着其界面定向且垂直于序列沿着的方向(其可沿着[0 0 1]晶格方向延伸)定向的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向。相对于所述有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向，顶部电极42A到42D、44A到44B具有特殊形式及位置。顶部电极42A到42D、44A到44B的形式及位置致使第一沟道48及第二沟道50具有特殊相对位置。明确地说，经由第一沟道48及第二沟道50而将横向左边区域L连接到横向右边区域R的任何直线相对于有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向是实质上不对准的(例如，不对准达10度或10度以上或者甚至达30度或30度以上)或在顶部电极42A到42D、44A到44B中的一者的一部分与图1的衬底26之间通过。即，所有此些线与特殊有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向均实质上不对准或在顶部电极42A到42D、44A到44B中的一者的一部分下方通过。

相信，对顶部电极42A到42D及44A到44B的位置及形式的上文所描述约束可能有助于使得平面结构12A到12C能够用于产生及/或操纵2DCCG的FQHE液滴46。明确地说，发明者相信，构造满足上文所描述约束的顶部电极42A到42D、44A到44B通常将致使平面结构12A到12C在经受用于产生FQHE流体的温度及一些磁场强度时不太可能产生2DCCG的条带状态。在此条带状态中，横向约束的2DCCG通常具有呈第一整数QHE状态的横向条带(例如，在为2的填充因子处)且在不同整数填充因子处具有呈第二整数QHE状态的邻近横向条带。在其它类型的2D量子阱装置中，发明者相信，在表面经平均化填充因子大于1(例如，在开集范围(2,4)中)时产生此些条带状态可较容易。当形成此条带状态时，量子阱结构通常将不用于产生2DCCG中的FQHE状态。因此，通常不期望在此2D量子阱结构将用于FQHE应用(例如)来进行量子计算机的量子位的表示时横向约束的2DCCG具有形成此条带状态的倾向。

在图2A到2C中，各种平面结构12A到12C图解说明用以满足对顶部电极42A到42D、44A到44B的上述约束的不同方式。即，相信平面结构12A到12C提供用于顶部电极42A到42D、44A到44B的在用于形成横向约束的2DCCG中的FQHE液滴的情况下将可能阻碍此些条带状态的形成的不同布局。

参考图2A，平面结构12A经构造成使得连接第一沟道48及第二沟道50的每一直线近似地沿着“x”方向定向，其中“x”方向相对于沿着[0 0 1]晶格方向延伸的层序列的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向是实质上不对准的。图2A将有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向图解说明为沿着平面结构12A的顶部表面定向。在此实例中，沟道48、50之间的任何直线与上文所描述的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向不对准达至少α的角度，其中α可为10度或10度以上(例如，10度到90度)或者可为30度或30度以上(例如，30度到90度)。实际上，所述不对准可甚至大到使得有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向是沿着平面结构12A的顶部表面且沿着正交于“x”方向的“y”方向定向。

参考图2B，平面结构12B经构造使得经由中心区域C1而将左边区域L连接到右边区域R的每一直线具有在第二组的顶部电极42A到42D中的一者下方通过的分段。明确地说，使顶部电极42A到42D不对称地形成，使得连接沟道48、50的任何直线(例如，虚线)相对于沿着顶部表面的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向是实质上不对准的，即，不对准达角度α。再次，不对准角度α可为10度或10度以上(例如，10度到90度)或者甚至30度或30度以上(例如，30度到90度)。

参考图2C，平面结构12C经构造使得连接第一沟道48及第二沟道50的任何直线具有在第一组的顶部电极44A中的一者下方通过的分段。明确地说，顶部电极44A具有减小横向中心区域C1的部分的宽度的延伸部E，使得经由沟道48、50而连接左边横向区域L及右边横向区域R的任何直线在所述延伸部E下方通过，即使所述线近似地沿着半导体层的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向亦如此。

在平面结构12C的一些替代实施例中，有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\‾}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向相对于连接第一沟道48及第二沟道50的任一此直线还可为实质上不对准的。

参考图2A到2C，平面结构12A到12C可具有(例如)不同III-V族合金的晶体层的层序列。举例来说，所述层序列可包含外延生长的Al_xGa_[1-x]As下部势垒层、邻近GaAs阱层及邻近Al_yGa_[1-y]As上部势垒层，其中0<x、y<1。层序列可沿着III-V族层的[0 01]结晶晶格方向延伸使得实际 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向沿着层序列的平面顶部表面定向(即，如图2A到2C中说明性地所展示)，或可沿着不同晶格方向延伸(例如)使得有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向沿着层序列的平面顶部表面定向。

平面结构12A到12C可用于产生及/或操纵2DCCG的FQHE液滴46，其中FQHE液滴46约束于2D量子阱的横向部分中，例如，在中心横向区域C1、左边横向区域L及右边横向区域R中。明确地说，为产生此液滴，在维持平面结构12A到12C处于极低温度时，2DCCG可经受垂直于平面结构12A到12C的顶部表面定向的强磁场H，例如，在图1的设置10中。在此情况中，FQHE液滴46可具有其横向广度在图2A到2C中由从C到A延续的平滑曲线指示的上部边缘且可具有其横向广度在图2A到2C中由从B到D延续的平滑曲线指示的下部边缘。平面结构12A到12C可通过施加到第二组的沟道门控顶部电极(即，电极对(42A、42B)及(42C、42D))及第一组的横向约束顶部电极对(44A、44B)的电压来控制FQHE液滴46的横向边缘的位置。

明确地说，可将电压施加到顶部电极42A、42B、42C、42D、44A、44B以耗尽2D量子阱的直接下伏区域及/或耗尽2D量子阱的邻近2DCCG的此些下伏区域的一些区域。举例来说，如果所施加电压产生排斥2DCCG中的电荷载子的库仑电位，那么所施加电压产生可将2DCCG的液滴(例如，FQHE液滴46)约束于2D量子阱的横向区域(例如，横向区域C1、L及R)的库仑电位。实际上，一些此类所施加电压还可用于操纵2DCCG的此横向约束的FQHE液滴的边缘。举例来说，如果2DCCG的电荷载子是电子，那么增加施加到顶部电极42A、42B、42C、42D、44A、44B中的一或多者的负电压的量值将增加接近在其上增加所施加负电压的量值的顶部电极42A、42B、42C、42D、44A、44B中的一或多者的所陷获电子的局部耗尽。因此，增加此些所施加负电压的量值将使2D电子气体的此横向约束的FQHE液滴46的边缘从在其上增加所施加负电压的量值的顶部电极42A、42B、42C、42D、44A、44B中的一或多者的边缘进一步横向移动。

在各种实施例中，可将三对顶部电极(即，对(42A、42B)、(42C、42D)及(44A、44B))单独地偏置以实现对FQHE液滴46的不同横向区域的单独控制。横向约束顶部电极44A、44B控制FQHE液滴46的约束于横向中心区域C1的部分的横向宽度。变化对横向约束顶部电极44A及44B的电压偏置可使FQHE液滴46在横向中心区域C1中的部分的相应上部及下部横向边界移动。沟道门控顶部电极42A、42B控制沟道48的非2DCCG耗尽的部分的横向宽度，所述沟道连接FQHE液滴46在横向中心区域C1中的部分与FQHE液滴46在横向左边区域L中的部分。沟道门控顶部电极42C、42D控制沟道50的非2DCCG耗尽的部分的横向宽度，所述沟道连接FQHE液滴46在横向中心区域C1中的部分与FQHE液滴46在横向右边区域R中的部分。

施加到第二组的每一对沟道门控顶部电极(即，对(42A、42B)及(42C、42D))的电压还可控制FQHE液滴46的边缘激发在FQHE液滴46的上部边缘C-A与下部边缘B-D之间隧穿的可能性。当减小沟道48、50中的一者的非2DCCG耗尽的部分的宽度时，可反向散射FQHE液滴46的接近沟道48、50中的一者的边缘激发。此反向散射可使此边缘激发隧穿到FQHE液滴46的相对边缘及/或使图2A到2C中的边缘激发的大体向右或向左传播方向反向。因此，每一对沟道门控顶部电极(42A、42B)及(42C、42D)处的电压可经调整以导致边缘激发到FQHE液滴46的相对边缘的此些反向散射或阻止此些反向散射。

基于此些反向散射，平面结构12A到12C可用于干扰FQHE液滴46的准粒子或边缘激发。举例来说，两对沟道门控顶部电极(即，对(42A、42B)及(42C、42D))可设定为导致沟道48、50两者处的此些反向散射。接着，可在左边沟道48及右边沟道50两者处反向散射从FQHE液滴46的下部边缘的左边传入的边缘或激发。在沟道48、50中的不同者处反向散射的此些边缘激发可干扰FQHE液滴46在横向左边区域L中的上部边缘。此干扰的形式可通过改变FQHE液滴的约束于横向中心区域C1的部分的面积(例如，通过变化施加到约束顶部电极44A、44B的电压)而变化。明确地说，与在右边沟道50处反向散射的准粒子或边缘激发相关联的波函数接收由FQHE液滴46在横向中心区域C1中的部分中的若干个准粒子激发及磁通量量子固定的经添加相。因此，经由施加到横向约束电极44A、44B的电压而改变FQHE液滴46的所述中心约束的部分的面积可改变在两个沟道48、50处的边缘或准粒子激发的此些反向散射之间的干扰的形式。

顶部电极42A到42D及44A到44B可实质上环绕其面积为大约2μm²或小于2μm²的横向中心区域C1的实施例。沟道门控顶部电极(42A、42B)及(42C、42D)可具有大约1μm的示范性宽度，且每一对所述门控顶部电极(42A、42B)及(42C、42D)的相对远尖端可分离达大约0.6μm或小于0.6μm的示范性间隙。在低温下，平面结构12A到12C可操作以干扰在沟道48、50处反向散射的边缘激发且可(例如)用于指示针对5/2、12/5及/或7/2的朗道能级填充因子的FQHE流体46中的电荷e/2、e/4或其它适合值的准粒子的存在。

图3A、3B、4A、4B、5A及5B图解说明图1中所图解说明的平面结构12的实施例12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’及12B”’，例如，图2A到2C中所图解说明的平面结构12A到12C的特定实施例。平面结构12A’到12B’、12A”到12B”及12A”’到12B”’具有可经操作以产生及/或操纵2D量子阱的横向部分中所陷获的2DCCG的FQHE液滴46的顶部电极42A到42D、44A到42F。此FQHE液滴46可在极低温度下产生于强正常磁场H中，例如，如关于图1的硬件设置10已论述。

每一平面结构12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’、12B”’包含在晶体衬底(未展示)的平面表面上方或直接在其上的晶体半导体层的层序列，如关于图1及2A到2C的平面结构12、12A到12C所描述。每一层序列在其中还包含2D量子阱。

每一平面结构12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’、12B”’包含第一组横向约束顶部电极44A到44D且包含第二组沟道门控顶部电极42A到42F。第一组及第二组的顶部电极44A到44D、42A到42F位于层序列的横向部分上方。第一组的横向约束顶部电极44A、44B对邻近层序列的两个横向中心区域C1、C2的相对侧而定位。第二组的沟道门控顶部电极42A到42D对邻近第一沟道48或第二沟道50而定位。沟道48、50将中心区域C1、C2连接到层序列的横向左边横向区域L及右边横向区域R。沟道门控顶部电极42E、42F对邻近连接两个中心区域C1、C2的另一沟道49而定位。中心横向区域C1、C2、左边横向区域L及右边横向区域R以及上文所论述沟道48到50中的各个沟道均是所述序列的横向区域，所述横向区域不位于顶部电极44A到44D、42A到42F中的一者与衬底(即，图1的衬底26)之间。明确地说，顶部电极44A到44D、42A到42F的边缘界定中心横向区域C1、C2、左边横向区域L及右边横向区域R的边界。

所述序列的半导体层为晶体且具有沿着其界面(即，沿着垂直于序列的定向的方向)的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向。由于顶部电极42A到42F及44A到44D的特殊形式及相对位置，因此将第一沟道48及第二沟道50相对地定位，使得经由第一沟道48及第二沟道50而将左边区域L连接到右边区域R的任何直线与所述有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向不对准(例如)达10度或10度以上或者达30度或30度以上，或在顶部电极42A到42F、44A到44D中的一者与衬底之间通过，即，在顶部电极42A到42F、44A到44D中的所述一者的一部分下方通过。

对顶部电极42A到42F、44A到44D的相对位置及形式的上文所描述约束在使用平面结构12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’、12B”’来横向约束及操纵2DCCG的FQHE液滴46时可是有利的。明确地说，发明者相信，构造满足上文所论述约束的顶部电极42A到42F、44A到44D可减小条带状态将(即)在极低温度及高强度的磁场H下(例如，在大于1的朗道能级填充因子处)形成于液滴46中的可能性。在上述情况下，不期望2DCCG的横向区域呈条带状态，这是因为条带状态通常不是FQHE状态且因此通常不适合用于表示量子计算机的量子位。

参考图3A、4A及5A，平面结构12A’、12A”、12A”’经构造使得经由沟道48、49、50而连接横向左边区域L及右边区域R的直线近似地沿着“x”方向定向，所述“x”方向相对于有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向是实质上不对准的。举例来说，半导体层的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向可近似地沿着序列的顶部表面且与“x”方向不对准达10度或10度以上或者达30度或30度以上。实际上，所述不对准可使得所述有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向沿着正交于“x”方向的“y”方向定向。

参考图3B、4B及5B，平面结构12B’、12B”、12B”’经构造使得经由中心区域C1及C2而将横向左边区域L连接到横向右边区域R的每一直线具有在第二组的沟道门控顶部电极42A到42F中的一者下方通过的分段或与所述有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向实质上不对准。在所图解说明实例中，使沟道门控顶部电极42A到42F中的一些沟道门控顶部电极不对称地形成，使得连接沟道48、50的直线相对于沿着半导体层的层序列的顶部表面定向的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向是不对准的。

每一平面结构12A’到12B’、12A”到12B”、12A”’到12B”’还可单独地控制FQHE液滴46的约束于其中的两个相对横向部分。FQHE液滴46的第一横向部分由界接第一横向中心区域C1的顶部电极42A、42B、44A、44B、42E、42F约束，且FQHE液滴46的第二横向部分由界接第二横向中心区域C2的顶部电极42C、42D、44C、44D、42E、42F约束。第一对横向约束顶部电极44A、44B可经单独电压偏置以实现对FQHE液滴46在第一横向中心区域C1中的部分的横向上部及下部边缘的单独控制。第二对横向约束顶部电极44C、44D可经单独电压偏置以实现对FQHE液滴46在第二横向中心区域C2中的部分的横向上部及下部边缘的单独控制。左边对沟道门控顶部电极42A、42B还可经单独电压偏置以实现对第一横向中心区域C1与横向左边区域L之间的沟道48的非2DCCG耗尽的部分的宽度的单独控制。第二对沟道门控顶部电极42C、42D还可经单独电压偏置以实现对第二横向中心区域C2与横向右边区域R之间的沟道50的非2DCCG耗尽的部分的宽度的单独控制。第三对沟道门控顶部电极42E、42F还可经单独电压偏置以实现对连接第一中心横向区域C1及第二中心横向区域C2的沟道49的非2DCCG耗尽的部分的宽度的单独控制。

平面结构12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’、12B”’在每一中心横向区域C1、C2中还包含一或多个顶部集中或点状电极51、52。当FQHE液滴46横向约束于2D量子阱中时，每一顶部点状电极51、52可经单独电压偏置以在点状电极51、52处选择性地且局部地保持准粒子激发，例如，复合费米子激发。举例来说，在5/2的朗道能级填充因子处，点状电极可经偏置具有对应于具有电荷e/2或e/4的准粒子激发的电压，其中准粒子激发集中在点状电极周围。

在本文中，顶部点状电极(例如，电极51或52)是其尖端区域在操作期间由非2DCCG耗尽的横向区域环绕的电极。举例来说，横向区域可为其中可横向约束FQHE流体液滴46的一部分的中心区域C1及C2的环状部分。此些顶部点状电极具有其面积实质上小于所述环绕横向区域(例如，横向中心区域C1及C2)的面积的指向下的尖端区域。此点状电极的尖端区域的面积可为(例如)此些环绕横向区域的面积的二分之一或小于二分之一或者五分子一或小于五分之一。

参考图4A、4B、5A及5B，平面结构12A”、12B”、12A”’及12B”’还包含位于顶部点状电极51、52之间且接近第三组的中心沟道门控顶部电极42E、42F的远尖端的一或多个顶部桥接电极54、56。顶部桥接电极54、56经定位以可控制地辅助完成用于准粒子或边缘激发在点状电极51、52之间传播的第一路径且还可控制地辅助完成用于准粒子或边缘激发在FQHE液滴46的接近第三组经配对沟道门控顶部电极42E、42F的远尖端的上部边缘与下部边缘之间传播的第二路径。

一或多个顶部桥接电极54、56可促进对准粒子或边缘激发将在顶部点状电极51、52之间传播还是将在FQHE液滴46的接近第三对沟道门控顶部电极42E、42F的上部边缘与下部边缘之间传播的选择性控制。为在顶部点状电极51、52之间选择性地传送准粒子或边缘激发，可将沟道门控顶部电极42E、42F维持在FQHE液滴46的上部边缘及下部边缘在其下远离一或多个顶部桥接电极54、56的电压。在此状态中，准粒子或边缘激发可在顶部点状电极51、52之间隧穿，但通常此激发最多将具有在FQHE液滴46的接近中心第三对沟道门控顶部电极42E、42F的上部边缘与下部边缘之间隧穿的极低可能性。为在FQHE液滴46的接近中心第三对沟道门控顶部电极42E、42F的上部边缘与下部边缘之间选择性地传送准粒子或边缘激发，第三对沟道门控顶部电极42E、42F可经偏置处于FQHE液滴46的上部边缘及下部边缘在其下接近顶部桥接电极54、56中的一或多者的电压。在此状态中，准粒子或边缘激发可在FQHE液滴46的接近第三对沟道门控顶部电极42E、42F的上部边缘与下部边缘之间隧穿，而准粒子或边缘激发可具有在顶部点状电极51、52之间隧穿的极低可能性。

出于种种原因，顶部桥接电极54、56可有助于在用于准粒子或边缘激发传送的不同路径之间进行选择。首先，顶部桥接电极54、56可在于顶部点状电极51、52之间进行传送时减小准粒子或边缘激发在一个跃迁中隧穿的最大距离。第二，与FQHE液滴46的接近中心第三对沟道门控顶部电极42E、42F的上部边缘与下部边缘之间的准粒子或边缘激发的隧穿的距离相比，顶部桥接电极54、56的几何形状可降低顶部点状电极51、52之间的准粒子或边缘激发的个别隧穿的距离。第三，顶部桥接电极54、56可实现有助于在顶部点状电极51、52之间传送准粒子或边缘激发的偏置电压的施加。举例来说，在此从左到右传送期间，当准粒子或边缘激发在中间顶部桥接电极54处时，左边顶部桥接电极56可经电压偏置以产生朝向右边顶部桥接电极56推动所述激发的力。此外，当准粒子或边缘激发在右边顶部桥接电极56处时，中间顶部桥接电极54可经电压偏置以产生朝向右边顶部点状电极52推动准粒子或边缘激发的力。类似地，在从右到左传送期间，右边顶部桥接电极56可经电压偏置以产生从中间顶部桥接电极54朝向左边顶部桥接电极56推动准粒子或边缘激发的力。此外，当准粒子或边缘激发在左边顶部桥接电极56处时，中间顶部桥接电极54可经电压偏置以产生朝向左边顶部点状电极51推动准粒子或边缘激发的力。因此，顶部桥接电极54、56可既有助于在用于传送准粒子或边缘激发的路径之间进行选择及/或又有助于减小此些传送所需的次数。

图6A图解说明图1的平面结构12的一个实施例12’。平面结构12具有包含晶体半导体衬底26、晶体下部半导体势垒层28、晶体半导体阱层32、晶体上部半导体势垒层30、顶部电介质层34及顶部电极36的底部到顶部层序列。晶体半导体势垒层28、30及阱层32形成2D量子阱。

2D量子阱结构可为通过远离半导体阱层32将掺杂剂原子放置(例如)于在半导体势垒层28、30中深处的一个或两个薄掺杂剂层(DL)中而掺杂的调制。此垂直分离有助于将2DCCG与掺杂剂原子中的经离子化掺杂剂原子的带电离子实库仑屏蔽。掺杂剂层(DL)在半导体阱层32的每一侧上的对称放置还可实现此些离子实与所陷获2DCCG之间的较大分离，借此实现对2DCCG的所要密度的离子实的较好屏蔽。

顶部电介质层34可使顶部电极36与下伏半导体层序列电绝缘及/或可在制作期间减小顶部半导体表面35上的陷阱及其它集中缺陷的产生。顶部电极36(例如，各种已论述实施例的电极42A到42F、44A到44D)的平坦部分可置于电介质层34的上部子层上，且顶部电极36(例如，各种已论述实施例的电极51、52、54、56)的点状突出部可突出到蚀刻到电介质层34的上部及/或下部子层中的孔中。

图6B图解说明图6A的平面结构12’的特定实施例12”中的半导体合金的垂直量变曲线。特定实施例12”是基于外延生长的AlGaAs/GaAs/AlGaAs2D量子阱结构。

在特定实施例12”中，晶体衬底26包含GaAs晶片衬底及外延生长于GaAs晶片衬底的(001)晶格表面上(即，沿着GaAs晶片衬底的[0 0 1]晶格方向生长)的GaAs及/或AlAs层的缓冲区堆叠。GaAs晶片衬底的(001)晶格表面可在于其上外延生长缓冲区堆叠之前通过标准技术而抛光及/或清洁。缓冲区堆叠可包含第一厚GaAs层(例如，大约50nm到200nm)及其上的交替的GaAs及AlAs层堆叠(例如，GaAs及AlAs单层及/或双层的大约600次重复)。此缓冲区堆叠可减小制作于其上的2D量子阱上的GaAs晶片衬底中的表面缺陷的不期望效应及/或可减小到衬底26的载子泄漏。

在特定实施例12”中，晶体半导体层28、32、30的层序列外延生长于晶体衬底26的(001)晶格表面27上。所述层序列的不同层28、32、30具有通过在相关外延生长期间变化气体混合物中的铝(Al)及镓(Ga)的相对百分比而产生的不同半导体合金组成。各种合金具有以下形式的合金：Al_xGa_(1-x)As，其中Al的浓度在层之间变化且固定导带的下部边缘的能量。明确地说，相信，导带的下部边缘的高度在此些合金中的Al的浓度方面是单调的。因此，图6B的Al百分比在质量上图解说明2D量子阱的各种半导体层中的电子的位能形势。

在特定实施例12”中，下部半导体势垒层28是外延生长于晶体衬底26上的多层。对于此多层，底部到顶部结构为：Al_xGa_(1-x)As层HB1，其具有大约0.323的合金参数x及大约110nm的厚度；SiAs的薄n型掺杂剂层(DL)，例如，一个或几个单层的一小部分；Al_xGa_(1-x)As层HB2，其具有大约0.323的合金参数x及大约42nm的厚度；及Al_x’Ga_(1-x’)As层LB，其具有大约0.243的合金参数x’及大约48nm的厚度。

下部Si掺杂层DL可包含(例如)大约每平方厘米10¹²个掺杂剂原子。

在特定实施例12”中，晶体半导体阱层32是具有大约24nm的宽度的实质上未掺杂GaAs层。晶体半导体阱层32外延生长于晶体下部半导体势垒层28上。

在特定实施例12”中，晶体上部半导体势垒层30是外延生长于晶体半导体阱层32上的多层。晶体上部半导体层30是与晶体下部半导体层28实质上成镜像的多层。对于此多层，底部到顶部结构为：Al_x’Ga_(1-x’)As层LB，其具有大约0.243的合金参数x’及大约48nm的厚度；Al_xGa_(1-x)As层HB2，其具有大约0.323的合金参数x及大约42nm的厚度；SiAs的薄n型掺杂剂层(DL)，例如，一个或几个单层的一小部分；及Al_xGa_(1-x)As层HB1，其具有大约0.323的合金参数x及大约110nm的宽度。上部n型掺杂层DL与半导体阱层32垂直地分离，使得掺杂剂原子的离子实较少扰乱垂直地约束于2D量子阱的2DCCG。

在实例实施例中，上部Si掺杂层DL还可具有大约每平方厘米10¹²个掺杂剂原子。但在上部Si掺杂层DL中，掺杂剂原子密度可为下部Si掺杂层DL中的掺杂剂原子密度的值的大约3倍到大约4倍，这是因为上部Si掺杂层DL还可贡献通过与在2D半导体阱结构12”的所暴露顶部表面35处的原子组合而中和在其处的悬挂键的电荷载子。

晶体半导体阱层32可位于至少半导体层的层序列的顶部表面35下方大约200nm处(例如)以减小所陷获2DCCG与所述顶部表面35上的集中缺陷之间的不期望相互作用。

在特定实施例12”中，顶部电介质层34可为非晶电介质层。顶部电介质层34的一个实施例是具有大约40nm或小于40nm的厚度的氮化硅层。

在特定实施例12”中，操作顶部电极36可为(例如)经由常规沉积及光刻图案化过程而形成的经图案化金属层。举例来说，操作顶部电极36可在抗蚀剂经图案化衬底上通过铝的蒸镀沉积形成达大约60nm的厚度，接着剥离所述抗蚀剂及过量铝。

在图6A到6B的半导体层序列的替代实施例中，Al_xGa_(1-x)As合金中的铝百分比可在邻近于或环绕DL层的层中具有不同值。此些不同铝百分比可致使经离子化掺杂剂原子的电位具有较长尾部。相信，所述较长尾部常规地有助于使与此些经离子化掺杂剂原子相关联的随机分布电荷离开原位，借此有可能与2DCCG空间平滑相互作用。

美国专利7,960,714及/或美国专利申请公开案20100308302中可能描述半导体层的可适合于图1的平面结构12的其它垂直层序列及/或制作及使用此些层序列的方法。举例来说，此些层结构可具有位于阱层32与掺杂剂层DL之间的窄屏蔽量子阱。此段落中所引用的美国专利及美国专利申请公开案以全文引用的方式并入本文中。

图7示意性地图解说明用于操作具有2D量子阱结构的装置的方法70，其中2D量子阱结构具有中心横向区域、不相交外部横向区域及将中心横向区域连接到外部横向区域的沟道，例如，如在图3A、3B、4A、4B、5A及5B中。中心横向区域、外部横向区域及沟道在操作期间形成2D量子阱结构的连续非2DCCG耗尽的部分，且这些区域及沟道通过横向界接顶部电极组而界定，此在操作期间可耗尽2DCCG的2D量子阱结构的其余横向区域。2D量子阱结构形成于位于衬底的平面顶部表面上方或直接在其上的半导体层序列中。顶部电极组经构造以减小在操作期间于中心横向区域中形成2DCCG的条带状态的可能性，例如，如在图2A、2B、3A、3B、4A、4B、5A及5B的平面结构12A到12C、12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’及12B”’中。明确地说，顶部电极经构造使得经由沟道而连接2D量子阱结构的外部横向区域的直线在操作期间在顶部电极中的一者与衬底之间通过(即，横穿2DCCG耗尽的区域)或与2D量子阱结构的有效 晶格方向实质上不对准。在不对准情形中，2D量子阱结构可(例如)近似垂直于其半导体层的[0 0 1]晶格方向而延伸。

方法70涉及用于在大约5/2、12/5或7/2的朗道能级填充因子处初始化及操纵FQHE液滴(例如，图3A、3B、4A、4B、5A及5B的FQHE液滴46)的拓扑状态的步骤。举例来说，可执行方法70以存储及/或改变量子计算机中的量子位的状态，其中量子位用FQHE液滴来表示。

方法70包含在大约5/2、12/5或7/2的朗道能级填充因子ν处准备半导体层序列的2D量子阱中的2DCCG的横向约束的FQHE液滴，例如，FQHE液滴46(步骤72)。FQHE液滴横向约束于中心横向区域、外部横向区域及连接半导体层序列中的这些横向区域的沟道。执行准备步骤72使得经由沟道而连接外部横向区域的每一直线横穿2DCCG耗尽的区域或与半导体层序列的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向不对准。在不对准情形中，有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向可大约垂直于层序列的定向。

准备步骤72包含冷却2DCCG及使2DCCG经受适当强度正常定向的磁场H，例如，在具有图1的设置10的情况下。

准备步骤72涉及通过对位于半导体层序列的横向界接部分上方的顶部电极(例如，图3A、3B、4A、4B、5A及5B的顶部电极42A到42F、44A到44D)进行电压偏置而横向约束2DCCG的FQHE液滴。所述横向约束包含耗尽2D量子阱结构的横向于2DCCG将横向约束于其中的中心横向区域的区域。举例来说，横向约束行为涉及耗尽位于2DCCG的FQHE液滴46在图3A、3B、4A、4B、5A及5B中的中心区域C1及C2以及沟道48、49、50中的部分周围的那些区域。顶部电极可通过电介质层(例如，图6A的电介质层34)与具有2D量子阱结构的半导体层序列电绝缘。横向约束2DCCG的FQHE液滴的步骤还可包含通过使所述所约束FQHE液滴的边缘的一部分电荷耗尽而适当设定2DCCG的所约束部分的密度ρ及填充因子ν，及适当设定磁场强度H。在FQHE液滴中，填充因子ν由(例如)ρhc/(|eH|)给出，其中h为普朗克常数，e为电子电荷，c为光速，且ρ为2DCCG的横向约束的部分中(例如，图3A、3B、4A、4B、5A及5B的横向中心腔C1及C2中)的电荷载子的密度。

方法70包含对FQHE液滴的第一横向约束的部分(即，位于中心横向区域中的第一者中的部分)上方的第一电极进行电压偏置以在第一电极处(例如，在图3A、3B、4A、4B、5A及5B的第一横向中心区域C1中的点状电极51处)局部地陷获e/2或其它适合电荷准粒子激发(步骤74)。电压偏置步骤74可(例如)将FQHE装置初始化到由FQHE液滴表示的量子位的第一状态。

方法70可任选地包含检查及确定由在第一电极处(例如，在图3A、3B、4A、4B、5A及5B的第一中心横向区域C1中的点状电极51处)局部地陷获带电准粒子激发的步骤74产生的FQHE状态的值(步骤76)。检查或确定的此任选步骤74可通过测量与在所约束FQHE液滴的上部边缘与下部边缘之间反向散射的边缘激发相关联的纵向传导性而执行。明确地说，不同反向散射的边缘激发状态之间的干扰将取决于边缘激发在FQHE液滴的其中集中e/2或其它适合电荷准粒子激发的横向约束的部分周围是传播还是不传播。(例如)在物理评论快报(Physical Review Letters)(第94卷(2005)，166802-1到166802-4页)处所发表的文章中可能描述一些此类测量。所述文章以全文引用的方式并入本文中。

方法70包含将e/4或其它适合电荷准粒子激发从第一电极传送到位于FQHE液滴的第二横向远端部分(即，FQHE液滴的位于第二中心横向区域中的部分)上方的第二电极(步骤78)。举例来说，第二电极可为图3A、3B、4A、4B、5A及5B的第二横向中心区域C2中的顶部点状电极52。传送步骤78可包含改变第一电极及/或第二电极的电压偏置。传送步骤78使e/4或其它适合电荷准粒子激发离开第一电极处。所传送e/4或其它适合电荷准粒子可(例如)保持在图3A、3B、4A、4B、5A及5B的顶部点状电极51、52中的另一者的尖端下方。

传送步骤78可包含改变一或多个顶部桥接电极(例如，图4A、4B、5A及5B的顶部桥接电极54、56中的一或多者)处的偏置电压以辅助传送e/4或其它适合电荷激发。举例来说，e/4或其它适合电荷准粒子可在其传送部分期间由此些桥接电极54、56暂时保持或推动。

接着，方法70包含改变控制第一电极与第二电极之间的沟道的2DCCG耗尽的沟道门控顶部电极中的一或多者的电压偏置，使得e/4或其它适合电荷准粒子或边缘激发在FQHE液滴的上部边缘与下部边缘之间反向散射(步骤80)。举例来说，步骤80可涉及调整图3A、3B、4A、4B、5A及5B的控制沟道49中的FQHE液滴46的宽度的沟道门控顶部电极44E、44F的电压偏置。这些沟道门控顶部电极44E、44F的电压偏置的改变可影响边缘激发在图3A、3B、4A、4B、5A及5B的FQHE液滴46的上部边缘A-C与下部边缘B-D之间的反向散射。

在步骤80处，反向散射e/4或其它适合电荷准粒子或边缘激发涉及在保持于第一电极及第二电极中的一者处的集中e/4或其它适合电荷准粒子激发中的一者周围的其的传播。但步骤80不涉及在保持于第一电极及第二电极中的另一者处的集中e/4或其它适合电荷准粒子激发周围的所述准粒子或边缘激发的传播。举例来说，反向散射可发生于图3A、3B、4A、4B、5A及5B的FQHE液滴46的接近沟道门控顶部电极42E及42F的上部边缘及下部边缘的部分之间。

在步骤80处，可通过操作一或多个顶部桥接电极(例如，图4A、4B、5A及5B的顶部桥接电极54、56)而辅助e/4或其它适合电荷准粒子在FQHE液滴的两个边缘之间的传送。此传送还可改变(例如)由FQHE装置存储的量子位的状态。

图的硬件设置10的一些实施例可形成具有2D量子阱结构阵列的量子计算机。在此量子计算机中，所述阵列的每一元件操作为量子计算机的个别量子位。个别量子位元件可操作为常规量子计算机的量子位。在此量子计算机中，每一量子位元件可包含半导体层序列的横向部分及顶部电极组，如在图3A、3B、4A、4B、5A及/或5B的平面结构12A’、12B’、12A”、12B”、12A”’、12B”’中所图解说明。在此量子计算机中，个别量子位元件还可包含用于操作其顶部门的可控制电压偏置源，例如，如在图7的方法70中所描述。明确地说，此些顶部电极可单独地操作以执行FQHE液滴的一部分的初始化、检查及状态改变的操作，如关于方法70所描述。

本发明打算包含所属领域的技术人员根据所述说明、各图及权利要求书将显而易见的其它实施例。

Claims (10)

1.一种设备，其包括：

衬底，其具有平面顶部表面；

晶体半导体层序列，其位于所述平面表面上且在其中具有二维量子阱；

第一组电极，其位于所述序列上方、界接所述序列的横向区域的相对侧且为可控制的，以使所述量子阱的非耗尽部分的宽度沿着所述顶部表面变化；

第二组电极，其位于所述序列上方、界接所述序列的所述横向区域与第一及第二邻近横向区之间的第一及第二沟道且为可控制的，以使所述量子阱的非耗尽分段的宽度变化；且

其中所述电极经定位成使得经由所述沟道而连接所述第一及第二横向区的直线在所述电极中的一者与所述衬底之间通过或与所述序列的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向不对准。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述电极经定位成使得所述直线在所述电极中的一者与所述衬底之间通过。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述序列包含一组III-V族半导体合金。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述序列沿着所述半导体层的实际[0 0 1]晶格方向定向且所述有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向是所述层的实际 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向。

5.根据权利要求1所述的设备，其中另一组所述电极在所述序列上方且邻近所述序列的第二横向区域的相对侧而定位，所述两个横向区是不相交的，所述电极中的一些电极为可控制的，以使沟道的非耗尽分段沿着所述顶部表面的宽度在所述量子阱中在所述两个横向区域之间变化。

6.根据权利要求5所述的设备，其进一步包括位于所述两个横向区域中的每一者上方的至少一个点状电极。

7.一种方法，其包括：

将2DCCG的FQHE液滴约束于半导体层序列的中心及外部横向区域以及所述半导体层序列的沟道，所述沟道将所述中心横向区域连接到所述外部横向区域，其中经由所述沟道而连接所述外部横向区域的每一直线横穿2DCCG耗尽的区域或与所述半导体层序列的有效 $\left[\begin{array}{ccc}1& \stackrel{\&OverBar;}{1}& 0\end{array}\right]$ 晶格方向不对准；及

对位于所述FQHE液滴在所述中心区域中的一者中的一部分上方的第一电极进行电压偏置以在其中局部地陷获带电准粒子激发。

8.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括：

将另一带电准粒子激发从所述第一电极传送到位于所述FQHE液滴的横向远端第二部分上方的第二电极，所述横向远端部分位于所述中心横向区域中的另一者中。

9.根据权利要求8所述的方法，其进一步包括：

接着改变控制位于所述第一电极与所述第二电极之间的沟道的顶部电极的电压偏置，使得准粒子或边缘激发在所述FQHE液滴的两个边缘之间反向散射。

10.根据权利要求7所述的方法，其进一步包括确定由所述局部陷获步骤产生的FQHE状态的值。