CN111753991B - 自旋量子比特的操控与读取装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种自旋量子比特的操控与读取装置及方法，装置包括：多端口直流电压源，用于为自旋量子比特的源电极及栅电极提供电压信号，使自旋量子比特形成稳定的双量子点以及调节栅电极的电压信号，以读取自旋状态对应的电流信号；多路波形信号发生器，用于产生方波信号、正弦信号及余弦信号；微波源，用于将其产生的微波信号与正弦信号及余弦信号进行混频，得到操控所需频率的正弦式微波信号；叠加器，用于将正弦式微波信号与方波信号叠加，得到操控所需的波形信号；偏置器，用于将操控所需的波形信号与施加在一栅电极的电压信号合为一路信号，并施加在栅电极上，以操控自旋量子比特的自旋。该装置及方法实现对任意单自旋量子比特的自旋状态的操控及读取。

Description

自旋量子比特的操控与读取装置及方法

技术领域

本公开涉及量子计算领域，特别是涉及一种自旋量子比特的操控与读取装置及方法。

背景技术

随着现代信息技术的不断发展，对计算机运算核心--半导体芯片运算能力的需求与日俱增。为了提高半导体芯片的性能，工业界一直致力于提高芯片内晶体管的密度。晶体管的密度遵循摩尔定律，即每18个月单位面积芯片内的晶体管的数量翻一番，几十年来半导体工业发展的十分迅猛，最先进的芯片已经达到了几纳米的制程。但随着晶体管特征尺寸的进一步缩小，芯片的发热效应以及可能的量子隧穿，都阻碍了其性能的进一步提升。为了实现计算机性能的突破，近些年来研发量子计算机的工作方兴未艾。

量子计算机的核心就是量子芯片，量子芯片与经典半导体芯片的运行原理截然不同，由多个量子比特构成，利用量子叠加态和量子纠缠实现量子计算，并且其计算能力随着比特数目的增加呈指数倍增，当可用比特达到50以上时，即可初步实现量子霸权，体现量子优越性。在构建多比特集成的量子芯片时，首先要研究其基本单元，即单量子比特的构建与操控。因此，量子比特的构建与操控的研究对量子芯片的发展具有重要意义。

目前的半导体量子比特体系操控方式，需要在外加交变磁场下才可以进行比特操控，其结构受到限制，不利于量子芯片的集成与扩展。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对于上述技术问题，本公开提出一种自旋量子比特的操控与读取装置及方法，用于解决现有技术中需要在外加交变磁场下才可以进行比特操控的问题。

(二)技术方案

根据本公开第一方面，提供一种自旋量子比特的操控与读取装置，包括：多端口直流电压源，用于为自旋量子比特的源电极及栅电极提供电压信号，使自旋量子比特形成稳定的双量子点，其中，双量子点分别对应栅电极中的两个栅电极下方；多路波形信号发生器，用于产生方波信号、正弦信号及余弦信号；微波源，用于将微波源产生的微波信号与正弦信号及余弦信号进行混频，得到自旋量子比特操控所需频率的正弦式微波信号；叠加器，用于将正弦式微波信号与方波信号叠加，得到自旋量子比特操控所需的波形信号；偏置器，用于将自旋量子比特操控所需的波形信号与多端口直流电压源提供给双量子点中其中一个量子点对应的栅电极的电压信号合为一路信号，并将一路信号加载至该量子点对应的栅电极上，以操控自旋量子比特的自旋状态；其中，多端口直流电压源还用于调节双量子点对应的栅电极的电压信号，以读取自旋量子比特的自旋状态对应的电流信号。

可选地，多端口直流电压源包括第一端口、第二端口、第三端口及第四端口；偏置器包括第一输入端口、第二输入端口及第二输出端口；第一端口连接自旋量子比特的源电极；第二端口连接第二输入端口，第二输出端口连接自旋量子比特的左栅极；第三端口连接自旋量子比特的中栅极；第四端口连接自旋量子比特的右栅极。

可选地，多路波形信号发生器包括第一通道、第二通道及第三通道；微波源包括I路输入端口，Q路输入端口、微波源端口、IQ混频器及第一输出端口；第一通道用于产生方波信号，连接至叠加器的输入，叠加器的输出连接至第一输入端口；第二通道用于产生正弦信号，连接至I路输入端口；第三通道用于产生余弦信号，连接至Q路输入端口；微波源端口用于产生微波信号；IQ混频器将微波信号与正弦信号及余弦信号进行混频；第一输出端口连接至叠加器的输入。

可选地，多路波形信号发生器用于产生频率相同的正弦信号与余弦信号。

可选地，多路波形信号发生器用于产生相位相差π/2的正弦信号与余弦信号。

可选地，装置还包括：电流表，电流表一端与自旋量子比特的漏电极相连，另一端接地，电流表用于读取电流信号。

根据本公开第二方面，提供一种基于上述自旋量子比特的操控与读取装置的自旋量子比特的操控与读取方法，包括：确定操控自旋量子比特所需施加的电压大小及微波信号的频率，其中，电压大小包括方波信号、正弦信号及余弦信号对应的电压；采用自旋量子比特的操控与读取装置施加电压大小及微波信号的频率对应的波形信号至自旋量子比特的双量子点中其中一个量子点对应的栅电极上，以操控自旋量子比特的自旋状态；读取自旋量子比特的自旋状态对应的电流信号。

可选地，采用自旋量子比特的操控与读取装置施加电压大小及微波信号的频率对应的波形信号至自旋量子比特的双量子点中其中一个量子点对应的栅电极上，以操控自旋量子比特的自旋状态，包括：将高电平的方波信号施加在量子点对应的栅电极上，使得自旋量子比特中的空穴能级移动到库伦阻塞区域；将第一预设长度的正弦式微波信号施加在量子点对应的栅电极上，使得自旋量子比特的自旋状态绕X轴旋转第一预设角度，其中，正弦式微波信号由微波信号、正弦信号及余弦信号混频而成。

可选地，采用自旋量子比特的操控与读取装置施加电压大小及微波信号的频率对应的波形信号至自旋量子比特的双量子点中其中一个量子点对应的栅电极上，以操控自旋量子比特的自旋状态，包括：将高电平的方波信号施加在量子点对应的栅电极上，使得自旋量子比特中的空穴能级移动到库伦阻塞区域；将第二预设长度的正弦式微波信号施加在量子点对应的栅电极上，使得自旋量子比特的自旋状态绕X轴从Z轴正方向旋转到Y轴正方向，其中，正弦式微波信号由微波信号、正弦信号及余弦信号混频而成；停止施加正弦式微波信号预设时间段，自旋量子比特的自旋状态在外界磁场的作用下沿Z轴旋转第二预设角度；

将第三预设长度的正弦式微波信号施加在量子点对应的栅电极上，使自旋量子比特的自旋状态在外界磁场的作用下沿X轴旋转90°。

可选地，读取自旋量子比特的自旋状态对应的电流信号包括：将高电平的方波信号降为低电平，读取当前时刻自旋量子比特的自旋状态对应的电流大小。

(三)有益效果

本公开提出一种自旋量子比特的操控与读取装置及方法，有益效果为：该装置及方法在可有效地实现对任意单自旋量子比特的自旋状态的操控及读取，使得自旋量子单比特具有结构优势，有利于量子芯片的集成及扩展。同时，由于本体系材料具有较强的自旋-轨道耦合相互作用，比特可以达到很高的拉比频率，这意味着在比特有限的相干时间内，可以实现更多次的X轴操作，为量子比特编码提供了良好的基础。另外，借助在本公开提供的绕Z轴旋转的读取方法，可以提取自旋比特的退相干时间，能对比特性质有更深入的了解。最后，用于实施Z轴操作的波形具有很好的拓展性，在其基础上优化的波形具有进一步的提升比特品质的潜力，进而为实现多量子比特扩展与操控奠定基础。

附图说明

为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。其中：

图1示意性示出了本公开一实施例的自旋量子比特体系的结构图；

图2示意性示出了本公开实施例的自旋量子比特体系中形成双量子点的电极结构图；

图3示意性示出了本公开实施例的一种自旋量子比特的操控与读取装置的线路图；

图4示意性示出了本公开实施例提供的自旋阻塞，库仑阻塞与自旋阻塞解除的双量子点能级图；

图5示意性示出了本公开实施例提供的直观表达比特自旋状态的布洛赫球的结构图；

图6示意性示出了本公开实施例提供的正负偏压下的空穴载流子输运相图；

图7示意性示出了本公开实施例提供的输运电流与微波频率和外磁场大小的依赖关系图；

图8示意性示出了本公开实施例提供的单自旋量子比特X轴操作所需波形图；

图9示意性示出了本公开实施例提供的单自旋量子比特Z轴操作所需波形图；

图10示意性示出了本公开实施例提供的在X轴操控下，输运电流与微波时间的关系曲线图；

图11示意性示出了本公开实施例提供的在Z轴操控下，输运电流与两段微波之间等待时间的关系曲线图。

【附图标记】

101-自组织锗硅纳米线，102-衬底，103-缓冲层；

201-源电极，202-左栅极，203-中栅极，204-右栅极，205-漏电极，206-绝缘层，207-第一量子点，208-第二量子点；

301-第一端口、302-第二端口、303-第三端口，304-第四端口，305-第一通道，306-第二通道，307-第三通道，308-Q路输入端口，309-I路输入端口，310-微波源端口，311-IQ混频器，312-第一输出端口，313-叠加器，314-第一输入端口，315-第二输入端口，316-第二输出端口，317-电流表；

401-自旋阻塞，402-库伦阻塞，403-自旋阻塞解除；

501-自旋上态，502-自旋下态，503-布洛赫球，504-纯态；

601，602-电阻输运相图，603-两个量子点能级相等位置，604-特定位置，605-库伦阻塞区域；

701-磁场与微波能量达到匹配，702-实施比特操控选取的共振处的磁场与微波频率；

801-X轴比特操控的波形，802-初始化阶段，803-操控阶段，804-读取阶段；

901-Y轴比特操控的波形，902-初始化阶段，903-操控阶段，904-读取阶段。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

本公开提供一种单自旋量子比特的操控与读取装置及方法，该装置及方法可有效地实现对任意单自旋量子比特的自旋状态的操控及读取。下面从自旋量子比特的结构、操控体系的构建、单比特操控与信号读取的基本原理，单自旋量子比特两种操控方式的具体内容及其测控结果对本公开进行详细介绍。应当理解，该些介绍只是示例性的，不用于限制本公开。

图1示意性示出了本公开一实施例的自旋量子比特体系的结构图。如图1所示，该自旋量子比特的体系可以为单自旋量子比特，依托于在自组织锗硅纳米线101上构建的双量子点结构存在。自组织锗硅纳米线101是由内部团簇状锗(Ge)层以及外部的本征硅(Si)层组成的结构，通过分子束外延生长，按照晶向随机分布在基片上。基片由非掺杂的本征Si衬底102和非掺杂的Si缓冲层103构成。

图2示意性示出了本公开一实施例的自旋量子比特体系中形成双量子点的电极结构图。如图2所示，自组织锗硅纳米线101的两端设有源电极201及漏电极205，自组织锗硅纳米线101、源电极201及漏电极205上方覆盖绝缘层206，绝缘层206上与自组织锗硅纳米线101相对的区域设有左栅极202，中栅极203及右栅极204，中栅极203为左栅极202与右栅极204之间，通过调节源电极201、左栅极202，中栅极203、右栅极204及漏电极205的输入电压，可在自组织锗硅纳米线101上且与左栅极202与右栅极204相对的区域形成第一量子点207及第二量子点208。

在本公开一些实施例中，可以通过电子束光刻、电子束蒸发镀膜、绝缘层生长等微纳加工工艺，得到形成该双量子点的电极结构。其中，选取的自组织锗硅纳米线101的长度范围为800～1000nm。源电极201及漏电极205可以由钛和金组成，钛的厚度优选为5nm，金的厚度优选为45nm，源漏电极的宽度优选为200nm，间距优选为210nm。绝缘层206包括但不限于选择三氧化二铝，其厚度优选为25nm，其可以防止在自组织锗硅纳米线101上直接搭接栅极造成的漏电。左栅极202，中栅极203及右栅极204可以由钛和钯组成，钛的厚度优选为3nm，钯的厚度优选为25nm，每个栅极宽度优选为30nm，栅极之间以及左右栅极与相邻源漏电极的间距均优选为35nm。

自旋量子比特体系中双量子点207与208的形成需要一定的电学调节，首先，在源电极201与漏电极205两端施加一定的直流偏置电压，用于形成电子定向输运所需的电势差。中栅极203施加合适的直流正电压，用于调节两个量子点之间的隧穿耦合。左栅极202，右栅极204分别施加直流正电压，用于束缚电极下方区域形成第一量子点207和第二量子点208，并且可以调控量子点内部的能级。第一量子点207和第二量子点208之间的能级差异就是由不同的左栅极202和右栅极204的电压调节的。

上述自旋量子比特体系由于自组织锗硅纳米线内部的Ge与外部的Si层费米能级之间的差异，纳米线内部的输运载流子是空穴型载流子，因此称之为空穴型量子点。量子点内部的空穴载流子具有不同的自旋状态，不同自旋态可用于量子比特的编码。

针对于上述构建的自旋量子比特体系，本实施例提供一种自旋量子比特的操控与读取装置，可用于对该自旋量子比特的自旋状态进行操控及读取。应当理解，该装置并不仅限于操控该结构体系的自旋量子比特，对于能够形成稳定双量子点环境的其它自旋量子比特也适用。比特操控需要对第一量子点207或第二量子点208上方的电极施加特定的电学波形，用于操控其内部空穴比特的状态，波形的实质是随时间变化呈现一定规律的电压输出，操控所需波形可以由方波和正弦式微波组成。

该装置例如可以包括：

多端口直流电压源，用于为自旋量子比特的源电极及栅电极提供电压信号，使自旋量子比特形成稳定的双量子点，其中，双量子点分别对应栅电极中的两个栅电极；

多路波形信号发生器，用于产生方波信号、正弦信号及余弦信号；

微波源，用于将微波源产生的微波信号与正弦信号及余弦信号进行混频，得到自旋量子比特操控所需频率的正弦式微波信号；

叠加器，用于将正弦式微波信号与方波信号叠加，得到自旋量子比特操控所需的波形信号；

偏置器，用于将自旋量子比特操控所需的波形信号与多端口直流电压源提供给双量子点中其中一量子点对应的栅电极的电压信号合为一路信号，并将一路信号加载至该量子点对应的栅电极上，以操控自旋量子比特的自旋状态；其中，多端口直流电压源还用于调节双量子点对应的栅电极的电压信号，以读取自旋量子比特的自旋状态对应的电流信号。

下面结合上述自旋量子比特体系对该装置的一种具体结构进行介绍，图3示意性示出了本公开实施例的一种自旋量子比特的操控与读取装置的线路图，如图3所示，该多端口直流电压源(Itek)包括第一端口301、第二端口302、第三端口303及第四端口304。多路波形信号发生器包括第一通道305、第二通道306及第三通道307。微波源包括I路输入端口309，Q路输入端口308、微波源端口310、IQ混频器311及第一输出端口312。偏置器包括第一输入端口314、第二输入端口315及第二输出端口316。

具体地，四个端口301，302，303，304分别提供源极201，左栅极202，中栅极203，右栅极204所需的稳定直流电压输入。第一端口301连接自旋量子比特的源电极201，第二端口302连接第二输入端口315，第二输出端口316连接自旋量子比特的左栅极202，第三端口303连接自旋量子比特的中栅极203，第四端口304连接自旋量子比特的右栅极204。漏极205与电流表相连后接地，用于与源极201形成一个闭合回路，电流表测量电路中的输运电流，从而获取实验数据。

第一通道305用于产生方波信号，连接至叠加器313的输入，叠加器313的输出连接至第一输入端口314，第二通道306用于产生正弦信号，连接至I路输入端口309，第三通道307用于产生余弦信号，连接至Q路输入端口308，微波源端口310用于产生微波信号，IQ混频器311将微波信号与正弦信号及余弦信号进行混频，第一输出端口312连接至叠加器313的输入。叠加器313将输入的方波信号及微波信号、正弦信号、余弦信号三者混频后的正弦式微波信号进行叠加，得到操控比特所用的波形后输入偏置器的第一输入端口314，通过偏置器件将该波形与第二输入端口315的直流电压合为一路信号后，经第二输出端口316输出，直接施加到第一量子点207所对应的左栅极202上，进行自旋比特操控。

在本公开一实施例中，多路波形信号发生器可产生频率相同、相位相差π/2的正弦信号与余弦信号。多路波形信号发生器可以选择M8190任意波形发生器，微波源可以选择E8267D微波源。具体型号本发明不做限制，只需能产生相应的波形即可。

操控完成后，在信号的读取阶段，使用电学测量无法直接读取比特的自旋状态，需要将自旋信息转化为空穴的输运信号进行读取。具体地，在源电极201及漏电极205两端施加一定的电压，会形成一个偏压窗口。通过调节左栅极202，右栅极204的电压，可以分别调控对应量子点的能级高低。当有一个或以上的量子点能级不在偏压窗口内时，不会有电流产生，此时称为库伦阻塞402(如图4所示)。当两个量子点的能级均在偏压窗口内时，若两个空穴的状态不满足泡利不相容原理，不会有电流产生，此时称为自旋阻塞401。若通过比特操控使得一个空穴的自旋发生了自下而上的翻转，自旋阻塞就会解除403，从而产生电流最大值。如果自旋翻转到了自旋上态和自旋下态的一个叠加态，根据量子力学的叠加性原理，自旋态矢到Z轴负方向的(自旋上态)的投影会介于自旋上态与自旋下态的态矢之间，因此电流也将处在最大值与最小值之间，可以通过电流的大小来判断空穴自旋翻转的程度。

下面将通过自旋上态和自旋下态对单比特操控的基本原理进一步解释。

图5示意性示出了本公开实施例提供的直观表达比特自旋状态的布洛赫球的结构图。如图5所示，空穴自旋单比特是利用空穴的自旋状态来进行编码的，自旋是空穴(电子)的一种内秉属性，定义为自旋上态501与自旋下态502。量子比特不同于与经典比特相同的两态系统，它是由两个自旋态形成的任意叠加态，物理上引入了布洛赫球503的概念，从球心到球面上任意一点可以表示为比特的一个纯态504。特别的，将布洛赫球与Z轴的两个交点所对应的态矢，分别对应为自旋上态501和自旋下态502。

实现任意的单比特操控，要求从自旋下态502出发，可到达布洛赫球面上的任意一个位置504。可以证明的是，上述的任意单比特操控，可以由两种特定形式的操作组成。在物理上称为拉比振荡和拉莫尔进动，从布洛赫球上对应着态矢绕X轴旋转以及绕Z轴旋转。这两种操作可以通过不同的实验波形来实现。

空穴的自旋即其所带有的磁矩，自旋状态就是磁矩的方向。空穴的自旋磁矩，沿外磁场(Z方向)正负方向有两个取向。两个自旋状态的能级差是与外界磁场的大小成正比关系的。当空穴感受到一个额外的交变磁场，且其交变频率所对应的能量，满足两个自旋状态的能级差时，空穴就会发生自旋振荡。由于本体系具有较强的自旋-轨道耦合相互作用，外加一个交变电场，空穴可以感受到一个相同频率的等效交变磁场，空穴自旋方向的翻转称为电偶极自旋振荡。

在具体实验中，施加满足两个自旋能量差频率的微波(交变电场)，可以使自旋发生周期性翻转。微波的时间长度对应自旋翻转的周期数，这种操作就称为自旋的拉比振荡。从布洛赫球上看，代表自旋的态矢会绕X轴周期性旋转，自旋翻转周期的倒数即为拉比振荡的频率。当微波长度为自旋翻转的半个周期时，自旋态矢从Z轴旋转到X-Y平面。随后在没有外界微波驱动下，自旋态矢会沿着外磁场(Z方向)自由旋转演化，此种操作即为拉莫尔进动。

基于上述自旋量子比特的操控与读取装置，本公开实施例还提供一种自旋量子比特的操控与读取方法，该方法例如可以包括：

S1，确定操控自旋量子比特所需施加的电压大小及微波信号的频率，其中，电压大小包括方波信号、正弦信号及余弦信号对应的电压。

具体地，首先，选取一个满足自旋阻塞的输运区域，分别在大小相等，方向相反的源漏偏压下测量电子输运相图(如图6所示)，分别观察在两幅相图两个量子点能级相等位置603处的电流大小。若有明显差异，电流明显较小的相图满足自旋阻塞条件，确定其电极电压参数为后续实验参考。

然后，将栅极电压确定在相图(图6中602)的特定位置604，满足自旋阻塞且两个量子点处于相同能级。测量输运电流随着外加磁场与微波驱动频率变化的依赖关系图(如图7所示)，图7中深色线条701代表磁场与微波能量达到匹配，发生了电偶极共振，确定一组实施比特操控选取的共振处的磁场与微波频率702。至此，确定了工作点的实验参数，包括磁场大小，微波频率以及电极电压。

S2，采用自旋量子比特的操控与读取装置施加该电压大小及微波信号的频率对应的波形信号至自旋量子比特的双量子点中其中一个量子点对应的栅电极上，以操控自旋量子比特的自旋状态。

具体地，自旋量子比特的操控分可为X轴以及Z轴的旋转操控。

X轴操控：

如图8所示，X轴比特操控的波形801分为初始化802，操控803，读取804三个阶段。初始化时，波形处于零电平，意味着空穴比特自旋状态保持不变，处于自旋阻塞区间401，没有输运电流；随后进入操作阶段，首先方波变为高电平，相当于左栅极202电压增加，操作空穴能级在相图上移动到了库仑阻塞的区域605，能级对应402，意味着无论自旋状态如何，都不会有电流产生，接着施加一段第一预设长度的正弦式微波信号805，使得比特自旋态矢绕X轴旋转第一预设角度，达到新的状态，完成操控阶段。

Z轴操控：

与X轴操控类似，比特操控的波形901分为初始化902，操控903，读取904三个阶段。通过测量比特的拉比振荡频率，可以计算出比特自旋绕X轴翻转对应角度所需时间。在操控过程中，将第二预设长度的正弦式微波信号施加在量子点对应的栅电极上，使得自旋量子比特的自旋状态绕X轴从Z轴正方向旋转到Y轴正方向；停止施加正弦式微波信号预设时间段，自旋量子比特的自旋状态在外界磁场的作用下沿Z轴旋转第二预设角度；将第三预设长度的正弦式微波信号施加在量子点对应的栅电极上，使自旋量子比特的自旋状态在外界磁场的作用下沿X轴旋转90°。

S3，读取自旋量子比特的自旋状态对应的电流信号。

X轴读取：

读取阶段，将方波从高电平变为低电平，意味着空穴能级从库伦阻塞区域402回到两量子点能级相同，自旋阻塞可能解除的区域403，此时比特自旋的状态发生了变化，进行读取，即测量输运电流的大小。

上述波形801代表了一个特定长度下比特的X轴操作，为了获得比特的拉比振荡数据。需要按顺序输入多个操控波形，每个波形的微波长度按一定大小递增，同时测量输运电流随时间的变化，此为一个测量周期。重复测量周期多次，取平均值，即为比特自旋状态随微波长度的变化的拉比振荡曲线，如图10所示。

Z轴读取：

读取阶段，利用自旋阻塞部分解除测得的电流，表征自旋态矢在Z轴负方向的投影大小。在一个周期时间内，两段操控微波之间的等待时间越长，自旋态矢沿Z轴的旋转角度越大，操控结束后到Z轴负方向的投影就越少，利用自旋阻塞原理读取到的电流就越小。测得电流与等待时间之间的关系如图11所示。

综上所述，本公开实施例提供一种自旋量子比特的操控与读取装置及方法，该装置及方法可有效地实现对任意单自旋量子比特的自旋状态的操控及读取，使得自旋量子单比特具有结构优势，有利于量子芯片的集成及扩展。同时，由于本体系材料具有较强的自旋-轨道耦合相互作用，比特可以达到很高的拉比频率，这意味着在比特有限的相干时间内，可以实现更多次的X轴操作，为量子比特编码提供了良好的基础。另外，借助在本公开实施例提供的绕Z轴旋转的读取方法，可以提取自旋比特的退相干时间，能对比特性质有更深入的了解。最后，用于实施Z轴操作的波形具有很好的拓展性，在其基础上优化的波形具有进一步的提升比特品质的潜力，进而为实现多量子比特扩展与操控奠定基础。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自旋量子比特的操控与读取装置，其特征在于，包括：

多端口直流电压源，用于为所述自旋量子比特的源电极及栅电极提供电压信号，使所述自旋量子比特形成稳定的双量子点，其中，所述双量子点分别对应所述栅电极中的两个栅电极；所述多端口直流电压源包括第一端口(301)、第二端口(302)、第三端口(303)及第四端口(304)；偏置器包括第一输入端口(314)、第二输入端口(315)及第二输出端口(316)；所述第一端口(301)连接所述自旋量子比特的源电极(201)；所述第二端口(302)连接所述第二输入端口(315)，所述第二输出端口(316)连接所述自旋量子比特的左栅极(202)；所述第三端口(303)连接所述自旋量子比特的中栅极(203)；所述第四端口(304)连接所述自旋量子比特的右栅极(204)；

多路波形信号发生器，用于产生方波信号、正弦信号及余弦信号；其中，所述多路波形信号发生器包括第一通道(305)、第二通道(306)及第三通道(307)；微波源包括I路输入端口(309)，Q路输入端口(308)、微波源端口(310)、IQ混频器(311)及第一输出端口(312)；所述第一通道(305)用于产生所述方波信号，连接至叠加器的输入，所述叠加器的输出连接至所述第一输入端口(314)；所述第二通道(306)用于产生正弦信号，连接至所述I路输入端口(309)；所述第三通道(307)用于产生所述余弦信号，连接至所述Q路输入端口(308)；所述微波源端口(310)用于产生微波信号；所述IQ混频器(311)将所述微波信号与所述正弦信号及余弦信号进行混频；所述第一输出端口(312)连接至所述叠加器的输入；

微波源，用于将所述微波源产生的微波信号与所述正弦信号及余弦信号进行混频，得到自旋量子比特操控所需频率的正弦式微波信号；

叠加器，用于将所述正弦式微波信号与所述方波信号叠加，得到自旋量子比特操控所需的波形信号；

偏置器，用于将所述自旋量子比特操控所需的波形信号与所述多端口直流电压源提供给所述双量子点中其中一个量子点对应的栅电极的电压信号合为一路信号，并将所述一路信号加载至该量子点对应的栅电极上，以操控所述自旋量子比特的自旋状态；

其中，所述多端口直流电压源还提供用于调节所述双量子点对应的栅电极的电压信号，以读取自旋量子比特的自旋状态对应的电流信号。

2.根据权利要求1所述的自旋量子比特的操控与读取装置，其特征在于，所述多路波形信号发生器用于产生频率相同的所述正弦信号与所述余弦信号。

3.根据权利要求1所述的自旋量子比特的操控与读取装置，其特征在于，所述多路波形信号发生器用于产生相位相差π/2的所述正弦信号与所述余弦信号。

4.根据权利要求1所述的自旋量子比特的操控与读取装置，其特征在于，所述装置还包括：电流表(317)，所述电流表(317)一端与所述自旋量子比特的漏电极(205)相连，另一端接地，所述电流表(317)用于读取所述电流信号。

5.一种基于权利要求1-4任一项所述自旋量子比特的操控与读取装置的自旋量子比特的操控与读取方法，其特征在于，包括：

确定操控所述自旋量子比特所需施加的电压大小及微波信号的频率，其中，所述电压大小包括方波信号、正弦信号及余弦信号对应的电压；

采用所述自旋量子比特的操控与读取装置施加所述电压大小及微波信号的频率对应的波形信号至所述自旋量子比特的双量子点中其中一个量子点对应的栅电极上，以操控所述自旋量子比特的自旋状态；

读取自旋量子比特的自旋状态对应的电流信号。

6.根据权利要求5所述的自旋量子比特的操控与读取方法，其特征在于，所述采用所述自旋量子比特的操控与读取装置施加所述电压大小及微波信号的频率对应的波形信号至所述自旋量子比特的双量子点中其中一个量子点对应的栅电极上，以操控所述自旋量子比特的自旋状态，包括：

将高电平的方波信号施加在所述量子点对应的栅电极上，使得所述自旋量子比特中的空穴能级移动到库伦阻塞区域；

将第一预设长度的正弦式微波信号施加在所述量子点对应的栅电极上，使得所述自旋量子比特的自旋状态绕X轴旋转第一预设角度，其中，所述正弦式微波信号由所述微波信号、所述正弦信号及所述余弦信号混频而成。

7.根据权利要求5所述的自旋量子比特的操控与读取方法，其特征在于，所述采用所述自旋量子比特的操控与读取装置施加所述电压大小及微波信号的频率对应的波形信号至所述自旋量子比特的双量子点中其中一个量子点对应的栅电极上，以操控所述自旋量子比特的自旋状态，包括：

将高电平的方波信号施加在所述量子点对应的栅电极上，使得所述自旋量子比特中的空穴能级移动到库伦阻塞区域；

将第二预设长度的正弦式微波信号施加在所述量子点对应的栅电极上，使得所述自旋量子比特的自旋状态绕X轴从Z轴正方向旋转到Y轴正方向，其中，所述正弦式微波信号由所述微波信号、所述正弦信号及所述余弦信号混频而成；

停止施加所述正弦式微波信号预设时间段，所述自旋量子比特的自旋状态在外界磁场的作用下沿Z轴旋转第二预设角度；

将第三预设长度的正弦式微波信号施加在所述量子点对应的栅电极上，使所述自旋量子比特的自旋状态在外界磁场的作用下沿X轴旋转90°。

8.根据权利要求6或7所述的自旋量子比特的操控与读取方法，其特征在于，所述读取自旋量子比特的自旋状态对应的电流信号包括：

将高电平的方波信号降为低电平，读取当前时刻所述自旋量子比特的自旋状态对应的电流大小。