CN114175058A - 与存储在与硅缺陷相关联的轨道状态中的信息相互作用的系统、装置、物品和方法 - Google Patents
与存储在与硅缺陷相关联的轨道状态中的信息相互作用的系统、装置、物品和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114175058A CN114175058A CN202080053672.2A CN202080053672A CN114175058A CN 114175058 A CN114175058 A CN 114175058A CN 202080053672 A CN202080053672 A CN 202080053672A CN 114175058 A CN114175058 A CN 114175058A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- state
- processor
- spin
- defect
- states
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 230000007547 defect Effects 0.000 title claims abstract description 494
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 130
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 title claims description 48
- 239000010703 silicon Substances 0.000 title claims description 46
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title description 44
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 144
- 230000010365 information processing Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 21
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 20
- 230000006854 communication Effects 0.000 claims description 17
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 17
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 claims 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 86
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 72
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 61
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 57
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 49
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 44
- 230000004044 response Effects 0.000 description 27
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 20
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 20
- 230000008859 change Effects 0.000 description 17
- 230000005516 deep trap Effects 0.000 description 17
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 16
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 15
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 14
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 13
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 13
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 11
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 11
- 230000009471 action Effects 0.000 description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 description 10
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 9
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 9
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 8
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 7
- 239000011669 selenium Substances 0.000 description 7
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 6
- 150000001787 chalcogens Chemical group 0.000 description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 6
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 6
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 6
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 238000005481 NMR spectroscopy Methods 0.000 description 5
- -1 by isotope Chemical class 0.000 description 5
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 5
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 4
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 3
- 238000003491 array Methods 0.000 description 3
- 229910052798 chalcogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-OUBTZVSYSA-N silicon-29 atom Chemical compound [29Si] XUIMIQQOPSSXEZ-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 3
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 3
- 230000014616 translation Effects 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004435 EPR spectroscopy Methods 0.000 description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical group [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N Selenium Chemical compound [Se] BUGBHKTXTAQXES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N Sulfur Chemical compound [S] NINIDFKCEFEMDL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N [Si].[Ge] Chemical compound [Si].[Ge] LEVVHYCKPQWKOP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000007175 bidirectional communication Effects 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 2
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 2
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 2
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 2
- 238000002372 labelling Methods 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000004151 rapid thermal annealing Methods 0.000 description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 2
- 150000003377 silicon compounds Chemical class 0.000 description 2
- ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N silicon tetrafluoride Chemical compound F[Si](F)(F)F ABTOQLMXBSRXSM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-IGMARMGPSA-N silicon-28 atom Chemical compound [28Si] XUIMIQQOPSSXEZ-IGMARMGPSA-N 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- NINIDFKCEFEMDL-OUBTZVSYSA-N sulfur-33 atom Chemical compound [33S] NINIDFKCEFEMDL-OUBTZVSYSA-N 0.000 description 2
- PORWMNRCUJJQNO-FTXFMUIASA-N tellurium-123 Chemical compound [123Te] PORWMNRCUJJQNO-FTXFMUIASA-N 0.000 description 2
- PORWMNRCUJJQNO-OIOBTWANSA-N tellurium-125 atom Chemical compound [125Te] PORWMNRCUJJQNO-OIOBTWANSA-N 0.000 description 2
- 230000036962 time dependent Effects 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000676 Si alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N Silane Chemical compound [SiH4] BLRPTPMANUNPDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000005864 Sulphur Substances 0.000 description 1
- 229910052768 actinide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001255 actinides Chemical class 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N arsenic atom Chemical compound [As] RQNWIZPPADIBDY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004774 atomic orbital Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 230000008676 import Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000001788 irregular Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000000155 isotopic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- KJLLKLRVCJAFRY-UHFFFAOYSA-N mebutizide Chemical compound ClC1=C(S(N)(=O)=O)C=C2S(=O)(=O)NC(C(C)C(C)CC)NC2=C1 KJLLKLRVCJAFRY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000004476 mid-IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000005298 paramagnetic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910052711 selenium Inorganic materials 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-YPZZEJLDSA-N selenium-77 atom Chemical compound [77Se] BUGBHKTXTAQXES-YPZZEJLDSA-N 0.000 description 1
- BUGBHKTXTAQXES-BJUDXGSMSA-N selenium-78 Chemical compound [78Se] BUGBHKTXTAQXES-BJUDXGSMSA-N 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 229910000077 silane Inorganic materials 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002210 silicon-based material Substances 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000003530 single readout Methods 0.000 description 1
- 239000000344 soap Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000011593 sulfur Substances 0.000 description 1
- 229910052717 sulfur Inorganic materials 0.000 description 1
- NINIDFKCEFEMDL-IGMARMGPSA-N sulfur-32 atom Chemical compound [32S] NINIDFKCEFEMDL-IGMARMGPSA-N 0.000 description 1
- 208000011580 syndromic disease Diseases 0.000 description 1
- 229910052714 tellurium Inorganic materials 0.000 description 1
- PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N tellurium atom Chemical compound [Te] PORWMNRCUJJQNO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N tribenuron methyl Chemical compound COC(=O)C1=CC=CC=C1S(=O)(=O)NC(=O)N(C)C1=NC(C)=NC(OC)=N1 VLCQZHSMCYCDJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
- G06N10/40—Physical realisations or architectures of quantum processors or components for manipulating qubits, e.g. qubit coupling or qubit control
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N10/00—Quantum computing, i.e. information processing based on quantum-mechanical phenomena
- G06N10/20—Models of quantum computing, e.g. quantum circuits or universal quantum computers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/04—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their crystalline structure, e.g. polycrystalline, cubic or particular orientation of crystalline planes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/12—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by the materials of which they are formed
- H01L29/122—Single quantum well structures
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
Abstract
各种系统、装置、物品和方法应用一个或更多个设置在半导体本体内的发光缺陷。包括在一个或更多个发光缺陷中的相应发光缺陷具有多个轨道状态。一种信息处理装置包括半导体本体和一个或更多个发光缺陷。一种系统包括至少一个处理器和包括至少一个发光缺陷的量子信息处理器。包括一个或更多个发光缺陷的装置和系统的操作方法。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年8月6日提交的题为SYSTEMS,DEVICES,ARTICLES,ANDMETHODS TO INTERACT WITH INFORMATION STORED IN ORBITAL STATES ASSOCIATED WITHSILICON DEFECTS的美国申请第62/883597号的优先权，在此出于所有目的将其通过引用并入本文。就美利坚合众国而言，本申请根据35U.S.C.§119要求于2019年8月6日提交的题为SYSTEMS,DEVICES,ARTICLES,AND METHODS TO INTERACT WITH INFORMATION STORED INORBITAL STATES ASSOCIATED WITH SILICON DEFECTS的美国申请第62/883597号的权益。
技术领域
本公开内容涉及用于计算状态的量子信息处理操作，所述计算状态包括半导体材料中发光缺陷的两个或更多个局部配置状态(例如，硅中局部深能级缺陷的轨道状态)。
背景技术
信息包含在物理系统的状态中。物理系统可以是量子系统或经典系统。系统包括有形装置，例如限定在一个或更多个基板上或内部的电子部件。物理系统可以包括一个或更多个光子，所述光子可以与其他物理部件相互作用或以其他方式通信地耦接其他物理部件。
发明内容
本发明的一个方面提供了一种量子信息处理装置，其包括主要由硅组成的半导体本体、以及设置在半导体本体内的一个或更多个发光缺陷。所述一个或更多个发光缺陷中包括的相应发光缺陷具有多个轨道状态。多个轨道状态包括表示计算信息的成对的轨道状态。该装置还包括控制系统，该控制系统包括通信地耦接至半导体本体的电路，并且响应于处理器可执行指令的执行来初始化所述一个或更多个发光缺陷。
本发明的另一方面提供了一种信息处理系统，该信息处理系统包括量子信息处理器，该量子信息处理器包括主要由硅组成的半导体本体、以及设置在半导体本体内的第一发光缺陷。第一发光缺陷包括第一多个自旋-谷-轨道状态(spin-valley-orbital state)，第一多个自旋-谷-轨道状态包括第一自旋-谷-轨道状态和第二自旋-谷-轨道状态。该系统包括通信地耦接至量子信息处理器的控制子系统、通信地耦接至控制子系统的至少一个处理器、以及通信地耦接至所述至少一个处理器并存储处理器可执行指令的至少一个有形计算机可读存储装置。处理器可执行指令当由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器指示控制子系统将第一发光缺陷初始化为包括第一自旋-谷-轨道状态的第一计算状态。
本发明的其他方面提供：基本上如本文所描述和所说明的信息处理器；基本上如本文所描述和所说明的包括至少一个处理器和量子信息处理器的系统；基本上如本文所描述和所说明的信息处理器的操作方法；基本上如本文所描述和所说明的包括数字计算机和模拟计算机的系统的操作方法；基本上如本文所描述和所说明的通信装置；和/或基本上如本文所描述和所说明的光子源。
在附图中示出和/或在以下描述中描述了进一步的方面和示例实施方式。
要强调的是，本发明涉及上述特征的所有组合，即使这些特征在不同的权利要求中陈述。
附图说明
附图示出了本发明的非限制性示例实施方式。
图1是示出包括量子信息处理器的系统的一部分的示意图。
图2是示出示例缺陷和半导体本体的示意图。
图3A是示出针对与图2中所示的示例缺陷相关联的轨道状态的多个能级的示意图。
图3B是示出针对与图2中所示的示例缺陷相关联的轨道状态的针对磁场绘制的能级的图。
图4是示出基于图3A和图3B中所示的能级的计算状态的表格。
图5A和图5B是示出基于图3A和图3B中所示的能级的计算状态的示意图。
图6A和图6B是示出经由辅助光子的测量操作的示意图。
图7是示出半导体本体、一对示例性缺陷和耦合器的示意图。
图8是示出半导体本体、多个示例性缺陷和各种光学结构的示意图。
图9是示出半导体本体和具有不同计算状态的多个示例性缺陷的示意图。
图10是示出包括一个或更多个初始化操作的量子信息处理器的示例操作方法的实现的流程图。
图11是示出包括一个或更多个量子位操作的量子信息处理器的示例操作方法的实现的流程图。
图12是示出包括一个或更多个读出操作的量子信息处理器的示例操作方法的实现的流程图。
图13是示出包括一个或更多个单量子位操作的量子信息处理器的示例操作方法的实现的流程图。
图14是示出包括一个或更多个多量子位操作的量子信息处理器的示例操作方法的实现的流程图。
图15是示出量子信息处理器的示例操作方法的实现的流程图，其中该方法包括将信息从轨道状态传送到自旋状态或者将信息从自旋状态传送到轨道状态。
具体实施方式
贯穿以下描述，阐述了具体细节以提供对本发明的更透彻的理解。然而，可以在没有这些细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细示出或描述众所周知的元件以避免不必要地模糊本发明。因此，说明书和附图被认为是说明性的意义，而不是限制性的意义。
本文公开了在信息处理(例如，计算、通信、量子计算和量子通信)中具有实际应用的系统、装置、物品和方法。信息处理包括处理信息，其中信息以物理(例如，有形)系统的物理状态进行存储。通信包括通过一个或更多个描述物理系统的物理状态的信号将信息从一个物理系统传送到另一物理系统。量子信息处理包括通过使用一个或更多个量子物理效应例如叠加、相干、退相干、纠缠、非局域性和隐形传态来处理信息。本系统、装置、物品和方法的一些实现包括或特征在于：量子计算机的以下方面中的两个或更多个方面：明确定义的量子位、可靠的状态准备、低退相干率、准确的量子门运算、多量子位运算和量子测量。在量子通信和量子计算中具有实际应用的系统、装置、物品和方法可以在静止量子位(例如，固态)和飞行量子位(例如，光子)中相互转换状态。
本系统、装置、物品和方法的一些实现包括或特征在于：信息以与半导体材料(例如硅)或主要包括硅的材料的本体中的一个或更多个缺陷(例如深能级缺陷、点缺陷、深施主)的自旋-谷-轨道状态相关联的能量差进行存储或进行操纵。
图1示出了基于处理器的系统100，该系统100包括一个或更多个用于处理信息的专用装置。系统100包括数字计算机102，该数字计算机102包括控制子系统104。控制子系统104包括至少一个处理器105。数字计算机102包括耦接至控制子系统104的至少一个总线106。系统100还包括至少一个非暂态计算机和处理器可读存储装置108和网络接口子系统110，两者都通信地耦接至总线106。数字计算机102包括通信地耦接至总线106的操作员输入子系统112和输出子系统114。数字计算机102还包括耦接至总线106的模拟装置接口(ADI)子系统116。总线106可以通信地耦接计算机102中的两个或更多个子系统。在一些实现方式中，系统100的一些子系统可以被省略或进行组合。系统100的一些子系统可以经由网络接口子系统110远程访问。
至少一个处理器105可以是任何逻辑处理单元，例如一个或更多个数字处理器、微处理器、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)、可编程逻辑单元(PLU)、数字信号处理器(DSP)、网络处理器(NP)等。
网络接口子系统110包括支持处理器可读数据和处理器可执行指令的双向通信的通信电路。网络接口子系统110可以采用通信协议(例如，FTP、HTTPS、SSH、TCP/IP、SOAP加XML)来通过网络或非网络通信信道(未示出)(例如，因特网、串行连接、并行连接、
无线连接、光纤连接、前述的组合等)来交换处理器可读数据和处理器可执行指令。
操作员输入子系统112包括一个或更多个用户接口装置，例如键盘、指针、数字键盘、触摸屏或用于用户或人类操作员的其他接口装置。在一些实现方式中，操作员输入子系统112包括用于数字计算机102或模拟装置150的一个或更多个传感器。所述一个或更多个传感器提供表征或表示数字计算机102和/或模拟装置150的环境或内部状态的信息。此外，输出子系统114包括一个或多个用户接口装置，例如显示器、灯、扬声器和打印机。
存储装置108包括至少一个非暂态或有形存储装置。例如，存储装置108可以包括：一个或更多个易失性存储装置，例如随机存取存储器(RAM)；以及一个或更多个非易失性存储装置，例如只读存储器(ROM)。存储装置108可以包括固态存储器、闪存、磁性硬盘、光盘、固态盘(SSD)、硬盘驱动器(HDD)、网络驱动器、其他形式的计算机和处理器可读存储介质或其组合。本领域普通技术人员将理解，存储装置108可以以多种方式实现，例如非易失性存储、易失性存储和/或其组合。此外，计算机系统可以合并易失性存储和非易失性存储，例如高速缓存、固态硬盘驱动器、存储器内数据库等。
存储装置108包括或存储与系统100的操作相关联的处理器可执行指令和/或处理器可读数据120。执行处理器可执行指令120，并且可选地，读取处理器可读数据120使至少一个处理器105和/或控制子系统104执行或促使由系统100、数字计算机102、其他系统或装置或组合执行的各种方法和动作。例如，通过网络接口子系统110或ADI子系统116。处理器可执行指令和/或处理器可读数据120可以例如包括基本输入/输出系统(BIOS)(未示出)、操作系统122、外围驱动器(未示出)、服务器指令124、应用指令126、校准指令128、专用信息处理器控制指令130、环境指令132和数据134。存储装置108的一部分或处理器可执行指令和/或处理器可读数据120可以被包括在包括非暂态处理器可读存储装置的制品中。
示例性操作系统122包括例如
操作系统和
操作系统。服务器指令124包括处理器可执行指令和/或处理器可读数据以通过网络接口子系统110跨网络与系统100外部的基于处理器的装置相互作用。在一些实现方式中，处理器可执行服务器指令124包括处理器可执行指令和/或处理器可读数据，所述可执行指令和/或处理器可读数据当由处理器执行时，针对数字计算机102或模拟装置150安排作业。应用指令126包括处理器可执行指令，所述处理器可执行指令当被执行时，使系统100执行与应用相关联的动作，例如，在数字计算机102或模拟装置150上执行计算。
校准指令128包括处理器可执行指令，所述处理器可执行指令当由处理器(例如，处理器105)执行时，使处理器校准并存储模拟装置150的校准值。包括在模拟装置150中或模拟装置150上的部件可能在操作参数方面具有部件间变化。操作参数的变化可能随时间变化或与预期或理想的部件参数不同。校准指令128在由处理器执行时使得能够测试和校正这些部件间变化、时间变化和/或与预期或理想部件参数的变化。
专用信息处理器控制指令130包括处理器可执行指令，所述处理器可执行指令当由处理器(例如，处理器105)执行时，使处理器控制、初始化、写入、操纵、读出和/或以其他方式向模拟装置150发送数据/从模拟装置150发送数据。专用信息处理器控制指令130部分地实现本文描述的方法(例如，参照图10到图15)和/或利用模拟装置150中包括的控制子系统。
环境指令132包括处理器可执行指令和/或处理器可读数据，所述处理器可执行指令和/或处理器可读数据当由处理器(例如，处理器105)执行时，使处理器控制和监测模拟装置150的部分或全部的规定的和可能的专用环境的方面。环境指令132的示例包括在执行时监测和控制影响专用信息处理器154的温度和/或磁场的指令。
环境指令132可以创建热分布(例如，具有时间相关性或空间相关性的一些或全部模拟装置150的温度值)。环境指令132部分地实现了本文描述的方法(包括图10中和与图10相关的那些方法)。
数据134可以包括由系统100的操作使用、获得、创建或更新的处理器可读信息或数据。例如，来自数字计算机102和模拟装置150的一个或更多个日志。数据134可以包括具有用于系统100的操作的参数的处理器可读数据。数据134可以包括与执行处理器可执行指令(例如服务器指令124、应用指令126、校准指令128、专用信息处理器控制指令130和环境指令132)的处理器相关联(例如，由其创建、引用、改变)的处理器可读数据。数据134可以包括对应于与缺陷(例如，发光缺陷、深缺陷)相关联并由局部自由度(例如，自旋、谷分裂)修改的能量状态(例如，局部自由度)或对应于这样的状态之间的跃迁(例如，能量差)的处理器可读数据。这样的数据的示例在本文中至少在图3A处示出。
模拟装置接口(ADI)子系统116包括支持数字计算机102与模拟装置150之间的双向通信的通信电路。在一些实现方式中，来自模拟装置150的输入或输出是数字的，模拟计算机内的中间状态是模拟的。在一些实现方式中，ADI子系统116与模拟装置150的环境子系统152相互作用。在一些实现方式中，ADI子系统116通过模拟装置150的一个或更多个子系统(例如，子系统155、156和158)与专用信息处理器154相互作用。在各种实现方式中，ADI子系统116可以包括波形数字化仪(例如，ALAZARTECH ATS9440，4信道，14位，125MS/s卡，或ALAZARTECH ATS9360，1信道，12位，1.8GS/s PCI卡，来自加拿大魁北克省Pointe-Claire的Alazar Technologies Inc.公司的卡)、红外光子检测器(来自荷兰南荷兰省Delft的Single Quantum公司的SINGLE QUANTUM EOS Multi-channel SNSPD光子探测器，或来自瑞士日内瓦州Carouge的ID Quantique SA公司的ID230 NIR光子探测器)。本文至少在图2处描述了进一步的检测器。
模拟装置150包括环境子系统152，环境子系统152响应于环境指令132的执行，针对专用信息处理器154提供规定环境。规定环境的方面可以包括例如湿度、气压、振动、磁场、温度和电磁场中的一个或更多个。在一些实现方式中，环境子系统152在专用信息处理器154周围提供低磁场。在一些实现方式中，环境子系统152在信息处理器154周围提供时不变磁场。在一些实现方式中，环境子系统152提供时变或脉冲磁场。在一些实现方式中，环境子系统152通过一个或更多个制冷单元和/或冷源将信息处理器154维持在低温。例如，信息处理器154可以维持在接近4K。信息处理器154的其他有用温度包括在从大约1mK到大约77K的范围内的温度。在一些实现方式中，环境子系统152将处理器154维持在从大约1.5K到大约4K的范围内。在一些实现方式中，环境子系统152将信息处理器154周围的环境维持在大约290K的温度。在一些实现方式中，环境子系统152包括振动隔离部件，例如制冷单元中的阻尼器。在一些实现方式中，环境子系统152向专用信息处理器154提供低湿度和恒定气压(例如，稳定真空)。
专用信息处理器154可以是量子装置。量子装置是量子力学效应显着和/或主导的制造品或结构。量子装置(例如超导电路和自旋电子电路)包括电流传输受量子机制主导的电路。超导电路使用量子物理现象，例如隧道效应和通量量子化。自旋电子电路使用自旋(例如电子自旋)的物理特性作为接收、处理、存储、发送或输出信息的源。量子装置可以用于测量仪器、计算机器中等。计算机器的示例包括经典计算机和量子计算机的部件。
信息处理器154可以是包括一个或更多个量子位(qubit)或量子位(qudit)(统称为量子位)的量子信息处理器。量子位(qubit或quantum bit)是量子计算机的逻辑构建块，类似于经典数字计算机中的二进制数字。量子位通常是定义的具有两个或更多个被称为计算状态的离散状态的物理系统。计算状态(其示例在本文描述)类似于二元状态(即，0和1)并且可以标记为|0>和|1>。在一些实现方式中，这些状态是物理系统的哈密顿量的sigma-Z算子(泡利矩阵算子)的本征态。据说这样的量子位在Z对角线基中，并且可以使用其他基而不失一般性。量子位可能处于状态的叠加或线性组合中，例如，α|0>+β|1>。系数α和β可能是复数，并且它们的模数总和为1。可以对一个或更多个量子位执行一个或更多个逻辑运算。这些运算可以在规定时间(例如，在指定时间)或在规定时间段内以一定频率发生。在一些实现方式中，信息处理器154包括多个量子位(qudit)之一。量子位(qudit)是具有三个或更多个计算状态例如|0>，|1>，|2>的量子位(qubit)的泛化，并且也许还进一步说明量子位(qudit)的维度。在一些实现方式中，信息处理器154包括多个qutrit之一。qutrit是量子位(qubit)的三元组版本。本领域普通技术人员将理解，量子位可以用作一种提喻法，其中种类“量子位(qubit)”代表属“量子位(qudit)”。
在一些实现方式中，信息处理器154包括一个或更多个部件、装置或子系统以对一个或更多个量子位执行一种或更多种类型的单量子位运算。单量子位运算的示例包括sigma-X或位翻转运算，类似于经典的非门。sigma-X运算会影响建模为Bloch球体的量子状态围绕X轴的旋转。当旋转为π弧度时，状态|0>映射到|1>，反之亦然，即全位翻转。信息处理器154的一些示例对一个或更多个量子位执行sigma-Y运算(没有经典的二进制对应物)。sigma-Y运算会影响Bloch球体的围绕Y轴的旋转。如果旋转为π弧度，则运算将状态|0>映射到i|1>并将状态|1>映射到-i|0>。sigma-Y运算有时称为泡利Y运算或门。信息处理器154可以对一个或更多个量子位执行sigma-Z或相位运算(没有经典的对应物)。sigma-Z运算会影响Bloch球体的围绕Z轴的旋转。如果旋转是π弧度，则运算将|0>映射到|0>并将|1>映射到-|1>。sigma-Z运算有时称为相位翻转运算或门。sigma-X运算、sigma-Y运算和sigma-Z运算的实现的示例在本文中至少参照图13进行了描述。
在一些实现方式中，信息处理器154包括一个或更多个可以耦合量子位的耦合器。这是可能是选择性运算的双量子位运算。可以对第一量子位和第二量子位执行双量子位运算。示例双量子位运算是CNOT门，其中两个量子位被取作输入，并且第一量子位的输出状态是取决于该第二量子位的输入状态的该第一量子位的输入状态的非(NOT)。第二示例双量子位运算是CPHASE门，其中两个量子位被取作输入，并且如果两个输入量子位处于状态|11>，则输出状态由相位因子
改变。其他三个输入(|00>、|01>和|10>)保持不受影响。双量子位运算的第三示例是伊辛(Ising)运算或sigma-Z运算。
在信息处理器154中，量子位可以通过多个结构和装置彼此通信地耦合。在一些实现方式中，多量子位相互作用例如由信息处理器154中包括的单个耦合器介导。在一些实现方式中，多量子位相互作用可以通过所涉及的结构和装置的直接谐振耦合获得，而无需耦合器。例如，在谐振或接近谐振时驱动两个量子位以实现直接谐振相互作用。信息处理器154可以通过执行处理器可执行指令来实现多量子位相互作用，并响应于所述执行使两个或更多个量子位彼此谐振或接近谐振，例如，两个或更多个量子位是相邻的并且以相同的频率相互作用。在一些实现方式中，多量子位相互作用由多个耦合器介导。信息处理器154包括一个或更多个光学结构作为耦合器。信息处理器154可以包括一个或更多个光谐振器和/或一个或更多个波导作为耦合器。本文至少参照图14描述了多量子位运算的实现方式的示例。在一些实现方式中，信息处理器154包括一个或更多个没有关联耦合器的量子位。
模拟装置150包括控制子系统155。控制子系统可以包括输入系统156、输出系统158或两者。专用信息处理器输入子系统156响应于处理器可执行指令，写入信息处理器154，或操纵存储在其中的信息。输入子系统156可以与信息处理器154形成在相同的基板上，物理地耦接至信息处理器154，通信地耦接至信息处理器154，或者是前述的混合。在一些实现方式中，输入子系统156包括数模转换器。输入子系统156可以包括光输入子系统、电场子系统、磁操纵子系统、机械子系统、低温子系统、相关联或包括的部件等中的一个或更多个。本文至少参照图2描述了子系统的示例。
输入子系统156可以对处理器可读信息(包括经典信息和量子信息)进行编码，并将所述信息传送到信息处理器154。输入子系统156可以包括光源，以将窄谱光或宽谱光(例如，脉冲光)施加到专用信息处理器154的一部分。在一些实现方式中，输入子系统156包括电磁体，以向信息处理器154的部分或全部提供磁场。在一些实现方式中，输入子系统156包括一个或更多个发射器(例如，电线、天线、线圈)以选择性地向信息处理器154提供一次或更多次、持续时间和频率的控制脉冲。脉冲发生器的示例是可从美国俄勒冈州比弗顿的Tektronix Inc.公司获得的PSPL10070ATM发生器。在一些实现方式中，发射器在信息处理器154上。在一些实现方式中，发射器靠近信息处理器154并且耦接至其上的部件或装置。可以使用微波、射频(RF)和/或电磁控制脉冲。在一些实现方式中，输入子系统156连同控制子系统104用于对输入子系统156中的电子和/或核自旋执行电子顺磁谐振(EPR)和/或核磁谐振(NMR)。在一些实现方式中，体EPR或NMR腔围绕信息处理器154。
图1中所示的模拟装置150包括至少从信息处理器154进行读取的专用信息处理器输出子系统158。输出子系统158可以与信息处理器154形成在同一基板上，物理地耦接至信息处理器154，通信地耦接至信息处理器154，或是前述的混合。在一些实现方式中，输出子系统158包括模数转换器、放大器、滤波器等中的一个或更多个。在一些实现方式中，输出子系统158包括一个或多个光学读出装置。光学读出装置(例如，光电探测器)检测由信息处理器154产生或在信息处理器154中产生的光子或者测量包括在信息处理器154上或信息处理器154中的光学结构的状态。
光学结构诸如谐振器支持一个或更多个光子模式。本文描述了光学结构的示例。在一些实现方式中，光学读出装置区分光学谐振器中一个或更多个光子的存在和不存在。在一些示例中，光学读出装置检测光学结构的一个或更多个光子模式的频移。一个光学读出装置可以读出一个或更多个光学谐振器的状态。光学结构的状态可以取决于耦合至光学结构的缺陷例如深施主或发光缺陷的特定状态的占据。特定状态包括自旋-谷-轨道状态。本文描述了缺陷的示例。
在一些实现方式中，输出子系统158包括一个或更多个光探测器，例如HgCdTe(MCT)可变带隙检测器，例如来自波兰MZ的
Mazowiecki的VIGO System SA公司的PVI-4TE-λoptTM光探测器，或者来自荷兰Delft的Single Quantum公司的SINGLE QUANTUMEOS多信道SNSPD光子探测器或者来自瑞士的GE的Carouge的ID Quantique SA公司的ID230NIR光子探测器。
在一些实现方式中，输出子系统158包括一个或更多个光探测器，例如可从加拿大QC的Saint-Laurence的Thorlabs Canada ULC公司获得的APD110C或PDA20CS2 InGaAs雪崩光探测器；Akhlaghi等人，2015 Nature Communication 6：8233中描述的超导片上光子探测器；Eisaman等人，2011 Rev.Sci Instrum.82，071101中描述的各种检测器；或来自美国马萨诸塞州诺伍德市的Analog Devices，Inc.公司的ADN3010-11检测器。
在一些实现方式中，数字计算机102使用输出子系统158对信息处理器154中的信息执行逻辑运算。例如，输出子系统158可以用于对存储在信息处理器154中或信息处理器154上的量子状态执行测量。在包括强量子测量装置的一些实现方式中，例如本文至少参照图6A描述的示例，测量可以替代一个或更多个量子运算。通用量子计算可以仅使用局域门和非局域(例如，奇偶或多量子位)测量来完成。
多量子位测量涉及对多个量子位(例如，信息处理器154中定义的多个量子位)的集体、组或聚合特性的观察。处理器105和/或控制子系统104可以在包括多个量子位的聚合属性的多量子位测量读出的信息处理中执行许多方法。这些方法包括：量子纠错(例如，表面代码)、量子相位估计、多量子位运算和纠缠生成。多个量子位的聚合特性可以包括量子位的奇偶性。这里偶数奇偶性包括平衡状态，例如两个计算状态的数量相等，奇数奇偶性包括不平衡状态，例如奇数。奇数奇偶性通常意味着类似于基于冗余信息的重复的经典错误检测码的错误综合症。
例如，在具有四个量子位的Z基中，以下状态是偶数奇偶性：|0000>、|0011>、|0110>等。然而，在|+>＝(|0>+|1>)/√2和|->＝(|0>-|1>)/√2的X基中，偶数奇偶性状态包括|---->、|++-->、|-++-〉等等。可以针对其他基和/或针对多个量子位的其他聚合特性定义其他奇偶性状态。本文至少参照图10和图12描述了奇偶性测量的示例。
在一些实现方式中，输出子系统158对信息处理器154中的部件的状态执行单次读出。在一些实现方式中，输出子系统158以千兆赫兹的速度对信息处理器154中的部件的状态执行读出。
在一些实现方式中，输出子系统158接收(例如，接收、请求和接收)关于信息处理器154中的部件的状态的量子非破坏测量读出结果。在一些实现方式中，输出子系统158对已经与信息处理器154中的至少一个部件相互作用的一个或更多个辅助光子的状态执行读出。本文至少参照图6B描述了量子非破坏测量的示例。本文至少参照图6A和图6B描述了一个或更多个辅助光子的测量的示例。
在一些实现方式中，模拟装置150通信地耦接至通信信道170。信道170可以用于向信息处理器154发送信息(例如，量子信息、经典信息)和从信息处理器154发送信息。信道170可以通信地耦接信息处理器154和一个或更多个信息处理器，例如信息处理器154的第二实例。信道170可以通信地将信息处理器154耦接至另一个装置，例如光子发生器。
在一些实现方式中，数字计算机102和模拟装置150的一些部分被省略以创建包括信息处理器154和信道170的更小的信息处理装置。在一些实现方式中，数字计算机102或模拟装置150的一些部分是通信装置。
图2是示出装置200的一部分的示意图。装置200的示出部分包括半导体材料的衬底、半导体材料的本体或半导体本体202，以及设置(例如，创建、形成、注入、位于、放置、定位)在半导体材料202内的示例性缺陷204。装置200可以作为信息处理器例如量子信息处理器、光处理器、光装置和通信装置操作。
在一些实现方式中，半导体材料202包括硅。半导体材料202可以包括天然硅。半导体材料202可以包括其他物质，例如碳化硅或硅锗。在一些实现方式中，半导体材料202包括纯化硅，或所谓的硅真空。提高物理系统的性能指标(例如，系统诸如装置200的相干时间更长)的一种方式是使用经处理以去除使光谱测量变宽的大部分非顺磁性同位素(例如硅29)的半导体材料。已对富集或纯化的硅进行处理以去除一些到几乎所有非零核自旋同位素，例如硅29。纯化硅包括富含各种水平(例如99％、99.9％和99.99％)的硅-28的材料。纯化硅包括富含硅28的材料。纯化硅包括光谱线宽比天然硅锐利至少十到百倍的硅。
可以制造或购买主要由纯化的硅组成的半导体本体。生产技术包括使用通过富集方法如气体离心机(例如，四氟化硅)、磁性质量分离或离子交换创建的纯化的硅化合物(例如，通过同位素、通过磁性)作为输入材料。纯化的气态硅化合物可能是纯化或生产过程的一部分。这样的化合物包括纯化的四氟化硅(SiF4)或纯化的硅烷(SiH4)。包括纯化硅的本体、晶体、衬底和晶片可以使用分子束外延(MBE)和化学气相沉积(CVD)等方法来创建。可用的同位素纯化硅包括将硅29去除到每百万分之数十、数百、数千或数万的水平。合适的半导体材料202可以从美国加利福尼亚州旧金山的同位素供应公司Isoflex USA购买。
在一些实现方式中，半导体材料202是生长在天然硅晶片的顶部的同位素纯化硅的外延层。半导体材料202的厚度可以是微米级，而天然硅晶片的厚度可以上达毫米级。在一些实现方式中，半导体材料202是生长或沉积在包括绝缘材料诸如氧化硅、蓝宝石、氮化硅等的本体上的硅的薄层。这里硅可以指天然硅、纯化硅或硅合金例如硅-锗混合物，其组成成分可以是同位素纯化的。
缺陷204设置在半导体材料202的体(bulk)内。半导体材料202的本体由多个界面(例如，面、侧或边缘)限定。在一些实现方式中，缺陷204被设置在半导体材料202的体(bulk)或块体(mass)内的深处或远处。在至少一个实现方式中，缺陷204被设置在距所述多个界面中的界面浅或近的界面(例如，距离等于或小于10纳米)处。在一些实现方式中，缺陷204设置在距所述多个界面中的界面大于10纳米的距离处。在一些实现方式中，缺陷204被渐逝耦合至光学结构(例如，谐振器、波导、透镜；图2中未示出)。在一些实现方式中，缺陷204设置在距所述多个界面中的每个界面大于10纳米的距离处。在一些实现方式中，缺陷204被渐逝耦合至光学结构(例如，谐振器、波导、透镜)。在一些实现方式中，缺陷204设置在距所述多个界面中的每个界面大于20纳米的距离处。在一些实现方式中，缺陷204设置在距所述多个界面中的每个界面大于30纳米的距离处。在一些实现方式中，缺陷204设置在距所述多个界面中的界面30纳米到500纳米之间的距离处。在一些实现方式中，缺陷204设置在距半导体材料202的界面10纳米到2微米之间的距离处。缺陷204可以设置在距每个界面30纳米到1微米之间的距离处。另外的缺陷204进入本体202，另外的缺陷204远离可能存在于半导体材料202的本体的界面上的电荷。
缺陷204和类似的多个缺陷可以由一个或更多个原子或原子空位(例如，省略的硅原子)形成，并且这些原子局部地占据一个或更多个距彼此和距半导体材料202的晶格的可再现的特定相对位置。
硅原子的晶体图案可能允许由其化学成分和配置限定的一种类型的缺陷相对于晶格具有许多不同的等效取向，但是这些不同的取向仍然归因于相同的缺陷类型。缺陷的类型和注入方法因实现方式而异。可以使用离子注入的硅工业标准技术将发光缺陷204的组成成分可控地注入到半导体材料202中。在美国专利第3,434,894号描述了一种注入过程。在一些实现方式中，缺陷204是稳定的非气态硫属元素原子。也就是说，长寿命的金属和非金属固体，第16族原子在硅中具有替代性双施主电子结构。示例包括硫、硒和碲。在一些实现方式中，使用第16族原子的特定同位素。示例包括硫-33、硒-77、碲-123和碲-125。合适的同位素可以从Isoflex USA购买。
在一些实现方式中，缺陷204为“深能级缺陷”、“深能级杂质”或“深能级施主”，其电离能基本上大于热能kBT，其中kB是玻尔兹曼常数，并且温度T是室温(～293K)。浅施主的能量与室温下的热能相当。本文的“浅”和“深”用于两种含义：一是为了限定一个或更多个缺陷(例如施主原子)的能量；以及二是为了限定一个或更多个施主原子的空间位置。对于本领域普通技术人员而言，这些不同的含义在每个单独的外观中是明显的，尤其是根据上下文，例如“能量”、“级别”、“光谱”与“设置”、“放置”、“位置”等。
在一些实现方式中，装置200包括设置在半导体材料202内的缺陷204。缺陷204可以是半导体材料202例如硅晶格中的局部缺陷、局部化缺陷或点缺陷。局部可能是指其原子成分或构型在小于5个、3个或2个晶胞长度的距离内不同于纯半导体的原子成分或构型的缺陷，其中未损坏晶格的晶格常数限定了晶胞长度。例如，至少一个间隙硅原子和/或至少一个空位(没有硅原子)可以限定缺陷。缺陷可能会导致相邻单元中超出缺陷尺寸的变形(例如应变)。缺陷可能支持电子或空穴波函数，所述电子或空穴波函数超出由其原子成分或配置限定的缺陷的尺寸。
缺陷204或多个缺陷可以是局部缺陷或点缺陷。在一些实现方式中，缺陷204是取代缺陷，半导体材料202中的晶格位点(site)包含与相邻晶格位点中发现的原子不同的原子。缺陷204可能是空位；在晶体中将被占据的空的晶格位点。在一些实现方式中，缺陷204是原子占据非晶格位点的间隙缺陷。间隙缺陷的一个示例是Al1(铝1)缺陷(836meV，6742.8cm-1，近红外)。缺陷204可能是弗仑克尔(Frenkel)缺陷，其中原子移动到间隙位点中并创建空位。即，间隙缺陷和空位缺陷的组合。这里原子包括至少一个原子、离子或分子，但缺陷保持是局部的。
缺陷204或多个缺陷可以是损坏中心，例如辐射损坏中心。半导体材料202中的缺陷204可以通过多种方法中的一种来构造。一类方法包括向半导体材料202施加辐射。在一些实现方式中，向半导体材料202施加电子束创建缺陷204。施加辐射之后可以在规定温度下对半导体材料202进行退火。例如，利用电子束处理硅本体并在100℃附近退火会创建G中心。温度因缺陷而改变，例如，创建T中心的方法可能包括以450℃退火。缺陷204可以通过将碳注入到半导体材料202中而形成。在一些实现方式中，通过将电子、中子、质子或硅或其他原子注入到预先被碳污染的半导体材料202中来构建缺陷204。
半导体材料202可以是包括硅的晶片。晶片可以是绝缘体上硅晶片，例如覆盖二氧化硅绝缘体的220nm厚晶片。硅可以是掺杂有置换施主或受主的非本征硅。晶片经受束能量在5keV与100keV之间(例如，20keV、30keV、40keV)的碳离子束。晶片可以用相同或不同的能量(例如，较低能量)利用另外的碳离子进行处理。
可选地，可以对半导体材料202进行退火以修复离子注入期间的损坏。例如，半导体材料202可以在几秒到几分钟的时间尺度上通过熔炉、加热器、灯或激光被加热到高温(例如，接近或超过1000℃)。半导体材料202以慢速率冷却以防止热冲击的影响(例如，破损)。半导体制造中的快速热退火(RTA)和快速热处理(RTP)是适用的。半导体材料202可以利用比碳离子高两个数量级(例如2MeV)的束被注入质子。
在一些实现方式中，缺陷204是“发光缺陷”，其在适当的上下文中也可以被标记为“发光杂质”、“发光受主”或“发光施主”。发光缺陷包括一对能量状态，其中从第一对能量状态的第一状态到第一对能量状态的第二状态的衰减过程具有足够的特征概率(例如0.1％)来生成至少一个光学光子。发射至少一个光学光子的特征概率是当缺陷204位于无应变半导体本体202的体中时从缺陷204发射光学光子的可能性。
当缺陷204不在类块无应变半导体环境中时从缺陷204发射光学光子的概率可能通过诸如可能影响局部状态密度的珀塞尔(Purcell)效应的效应与其特征光学光子发射概率显著不同。光学光子是波长在紫外线(UV)、可见光(VIS)或红外线(IR)波段(即，波长在大约10nm与100μm之间)的光子。
缺陷204可以具有一对能量状态，其中从第一对能量状态的第一状态到这对能量状态的第二状态的衰减过程具有足够的光子生成概率来生成一个光学光子而没有声子(例如，振动能量的量子化准粒子)。光学光子的跃迁能量称为零声子线(ZPL)跃迁能量。
缺陷204可以具有由其化学成分和构型和/或由物理性质诸如特征光子能量例如ZPL跃迁能量限定的类型。缺陷的特征光学光子能量和典型光子生成概率可以通过发光缺陷的组成原子同位素和/或环境来修改，包括但不限于温度、应变、压力、电磁场等。对于本领域技术人员而言明显的是，由发光缺陷的环境和/或同位素组成改变的一种类型的发光缺陷的特征跃迁能量和/或光子生成概率不构成不同类型的发光缺陷。光学跃迁可能受到如本文所描述的分裂的影响。
在一些实现方式中，装置200包括具有光学跃迁的一个或更多个深能级缺陷(例如，深施主原子)。示例性深能级缺陷是非气态稳定硫属元素原子。缺陷204可能具有非零核自旋，例如，一些硫属元素核同位素具有非零自旋，例如33S(自旋3/2)、77Se(自旋1/2)以及123Te和125Te(均自旋1/2)。这些深施主包括下述基态：其与V族(第15族)施主具有相同自旋哈密顿量，但分别具有约312MHz、1.66GHz、2.90GHz和3.50GHz的更大的超精细常数。
在一些实现方式中，装置200包括双施主作为缺陷204。当单电离时，双施主具有甚至更大的结合能(对于S+为614meV，对于Se+为593meV，并且对于Te+为411meV)，以及在中红外(“mid-IR”)中具有光学跃迁的氢(或He+)轨道结构。在28Si:77Se+中，基自旋状态到最低激发状态之间的光学跃迁足够窄，即使在低磁场、极低磁场或零磁场下也具有自旋选择性。
非气态稳定硫属元素原子的示例包括中性原子、电离原子和双电离原子，例如S0(～300meV)、Se0(～300meV)、Te0(～300meV)、Se+(593meV)、S+(614meV)、Se+(593meV)、Te+(411meV)、S++、Se++和Te++。正如深施主的单电离电荷状态可以耦合至光学结构一样，中性(例如，不带电的)深双施主也允许向激发状态进行适当窄的光学跃迁，并且这些跃迁类似地能够与光学结构强耦合。双电离原子可以用作核自旋量子位，邻近的光学结构可以与双电离电荷状态相互作用。在一些实现方式中，仅使用一个特定的电荷状态来限定量子位。在一些实现方式中，量子位中的一个或更多个计算状态包括多个电荷状态。
深能级缺陷的示例包括深杂质。深杂质的示例包括金属簇，例如四个原子的簇，例如Cu4(1014meV)、Cu3Ag(944meV)、Cu2Ag2(867meV)、Cu3Pt(884meV)、Cu3Pt(882.36meV)、Cu2LiPt(850.1meV)、CuLi2Pt(827.6meV)、Li3Pt(814.9meV)、Ag4(778meV)、Li3Au(765.3meV)、CuLi2Au(746.7meV)、Cu3Au(735meV)和Cu2LiAu(735.2meV)。这里能量是跃迁能量而不是结合能量。深杂质的示例包括金属簇，例如五个原子的簇，例如CuLi3(Au)(1090.2meV)、Cu4Au(1066meV)、Cu3LiAu(1052.7meV)、CuLi2Ag(909.9meV)、Cu4Pt(777meV)、Cu2Li2Pt(694.6meV)、Cu3LiPt(725.6meV)和CuLi3Pt(671.6meV)。
深缺陷的示例包括选自跃迁金属的金属原子或金属簇，例如包括铜、银、金或铂的簇。在一些实现方式中，跃迁金属是来自元素周期表的d区或第3族至第12族的金属。在一些实现方式中，跃迁金属包括选自f区或镧系元素和锕系元素的金属。
深能级缺陷的示例包括第I族和第II族(第1族和第2族)原子或簇，例如第2族双施主，例如，Mg+(256.5meV)、Mg0(107.5meV)和铍或第1族施主，例如Li0和Li+。缺陷的示例包括具有上文所描述的那些的化合物和簇。缺陷的示例包括硫和铜，例如所谓的SA(968meV)和SB(812meV)中心。
在一些实现方式中，装置200包括一个或更多个具有光跃迁的缺陷。在一些实现方式中，缺陷204在所谓的L波段(1565nm至1625nm)中具有接近1570nm(0.789eV，6364cm-1)的发光。L波段是覆盖1260nm到1625nm的五个命名的电信波段之一，在其中，光纤具有低损耗。
本文描述的缺陷的种类和属具有本领域技术人员已知的一个或更多个等同物。这些等同物包括对缺陷中包括的一个或更多个原子的等价或等电子替换或置换。等电子置换具有相同数量的价电子并且包括相同周期的元素，例如，锗可以代替缺陷中的碳，或者锂可以代替氢。等电子置换包括来自相邻周期的带电原子。等电子置换影响缺陷的机械结构和电子结构，并且置换可以用于改变与缺陷的振动或光学相互作用。如本文所描述的，光学跃迁可能受到分裂的影响。
在一些实现方式中，装置200包括半导体材料202内的受主位点以接收电子。受主位点的一个合适的材料是硼。受主可以包括来自第III族(13)例如硼、铝、镓和铟的受主。在一些实现方式中，装置200包括硅材料内的施主位点以施予电子。施主位点的一个合适的缺陷是磷。施主可以包括来自第V组(15)例如磷、砷、铋和锑的施主。
装置200可以包括光学结构(未示出)。光学结构可以包括谐振器、光谐振器、波导、光耦合器、光腔、腔、折射和反射材料的其他布置。在一些实现方式中，缺陷204被渐逝地耦合到一个或更多个光学结构。
装置200可以包括光学输入子系统，该光学输入子系统包括一个或更多个光学部件，例如光源206。光学部件可操作，例如响应于处理器可执行指令的执行而起作用以选择性地对缺陷204施加光。处理器可执行指令可由光源206或处理器执行。光源206可以脉冲方式施加光。光学部件可以至少以第一频率向缺陷204施加光。第一频率对应于(例如，接近、处于)缺陷204的计算状态对(例如轨道状态)之间的能量差。光源206可以通信地耦接至系统100中的处理器105并且响应于处理器105执行处理器可执行指令而操作。光输入部件(例如，光源206)可以设置在半导体材料202中、上、附近或距(到)半导体材料202一定距离。图2中所示的部件的相对位置和取向已在很大程度上被选择用于说明目的，例如，来自光源206的光不需要与磁场共线并且垂直于电场等。
装置200可以包括一个或更多个电场子系统，所述电场子系统包括诸如电极208的电部件。电场子系统可以例如响应于处理器可执行指令的执行而起作用，向半导体材料202或缺陷204施加至少第一强度的电场。电场可以包括梯度。即，电场子系统响应于执行处理器可执行指令改变入射到半导体202上的电场。电场子系统影响缺陷204的能量本征态的变化。电场子系统可以为半导体材料202上或附近的部件供电。电场子系统可以应用缺陷204的脉冲电操作。
装置200可以包括一个或更多个磁操纵子系统，所述磁操纵子系统包括一个或更多个磁输入部件，例如线圈210。磁操纵子系统可以影响缺陷204的能量本征态的变化。磁输入部件响应于处理器可执行指令的执行选择性地向半导体材料202和/或设置在半导体材料202内的缺陷204施加磁场。磁场可以相对于半导体材料202或多个缺陷如缺陷204中的晶格方向进行取向。磁场可以是静态的或相对于时间或半导体材料202中的位置而变化。在一些实现方式中，磁输入部件包括大口径超导磁体。系统100中的处理器105可以响应于处理器可执行指令的执行，指示线圈210向半导体材料202施加磁场。
装置200中包括的磁操纵子系统可以包括至少一个射频输入部件，例如天线212，一对天线响应于处理器可执行指令的执行选择性地向半导体材料202和/或缺陷204施加射频脉冲。处理器105可以指示磁操纵子系统(例如，直接线圈210和天线212)翻转与缺陷204相关联的电子或核自旋。
系统100中的处理器105可以指示磁输入部件和射频输入部件执行缺陷204或多个缺陷的磁谐振控制，例如NMR和ESR。例如，线圈210可以以射频脉冲向缺陷204和天线212施加场强度B0，射频脉冲的频率与强度场B0和自旋的旋磁比γ的乘积成正比，并针对装置120中的自旋的附加相互作用进行调整。
装置200可以包括机械子系统，该机械子系统包括一个或更多个机械输入部件。机械输入部件的示例是致动器214。致动器214可以与设置在半导体材料202的相对侧上的支座或支撑件(未示出)配对。机械输入部件可以响应于处理器可执行指令的执行，在至少一个方向上选择性地改变(例如，施加、移除)对半导体材料202的应变。因此，机械子系统可以通过半导体材料202中的应变来影响缺陷204的能量本征态的变化。机械输入装置可以在半导体材料202内或跨半导体材料202局部施加应变。机械输入部件可以设置在半导体材料202中或物理地耦接至半导体材料202的外部。机械子系统可以包括一个或更多个微机电系统(MEMS)部件，所述部件响应于处理器可执行指令的执行而改变半导体材料202中的应变。MEMS可以由电场子系统供电。机械子系统可以包括一个或更多个压电部件。
装置200可以包括一个或更多个低温子系统，例如低温子系统216。低温子系统216可以响应于处理器可执行指令的执行而改变半导体材料202的热分布(例如，温度、温度梯度、温度与空间或时间变化)并影响缺陷204的能量本征态的变化。低温子系统216可以包括加热器217或冷却器218之一或两者。低温子系统216可以是可操作的，例如响应于处理器可执行指令的执行，选择性地加热、冷却或在半导体材料202中创建热梯度。
在各种实现方式中，装置200的示例作为信息处理器进行操作，其中一个或更多个输入子系统或装置通信地耦接至半导体材料202或缺陷204。一个或更多个输入子系统或装置可以物理地耦接至半导体材料202。例如，输入子系统覆盖半导体材料202，设置在半导体材料202附近，或设置在半导体材料202内。光输入部件、电输入部件、磁输入部件等可以覆盖(其包括底层(underlie))半导体材料202的一部分，或者可以是在半导体材料202中限定的结构。一个或更多个输出子系统或读出装置通信地和/或物理地耦接至半导体材料202或缺陷204。例如，光子检测器可以像光源206一样定位。本文至少关于图1、图6A、图6B和图7描述了读出装置和检测器的另外的示例。
图3A是示出与作为缺陷204的示例包括在装置200中的单电离硫族元素深施主(例如，77Se+)相关联的状态的示例性多个能级或能量本征态300的示意图。不同的缺陷将具有对于能量本征态300的不同的标记。例如，锂具有对于能量本征态300的不同的阶次。其他缺陷具有不同的能量本征态300，例如子能级被不同地标记。能量本征态300相对于能量轴302(不按比例)绘制。多个能量本征态300包括能量本征态304、306等。轨道能量本征态304是根据原子轨道标记惯例标记为1s的氢轨道状态。轨道能级可以用标签Xay表示，其中X是对应于主量子数n的能级，类型a是表示对应于角量子数
的轨道的形状或亚壳的小写字母，并且y是该轨道中的电子的数量。例如，轨道1s2具有两个电子，并且是最低能级(n＝1)，并且具有
的角量子数或球形状。
半导体材料202的谷结构将轨道能量本征态304分裂成谷-轨道状态306、308和310。也就是说，块间接半导体材料例如硅具有晶体结构(也称为谷结构)，其将缺陷的氢状态分裂为六种方式，即六倍轨道简并。这种简并可以通过对半导体材料施加应变、施加电场等来解除。谷结构将轨道能量本征态304分裂成六个能量本征态：谷-轨道能量本征态306(1s:A)；谷-轨道能量本征态308A、308B和308C(1s:T2)；和谷-轨道能量本征态310A和310B(1s:E)。标签A、T2和E附加到轨道标签1s。对于子能级没有约定，例如区分能量本征态308B和308C。谷结构可以分裂更高阶的轨道状态，例如2s、2p、3s等(未示出)。
电子自旋将谷-轨道能量本征态306、308A、308B、308C、310A和310B分裂成(电子)自旋-谷-轨道能量本征态316A、316B、317A、317B、318A、318B、318C、318D、320A、320B、320C和320D。即，电子自旋将谷-轨道能量本征态306分裂成自旋-谷-轨道能量本征态316A和自旋-谷-轨道能量本征态316B。电子自旋将谷-轨道能量本征态308A、308B和308C分裂为具有G7子标签的自旋-谷-轨道能量本征态317A和317B以及具有G8子标签的自旋-谷-轨道能量本征态318A、318B、318C和318D。将理解的是，G7子标签和G8子标签不是针对所有可能的深缺陷种类或电荷状态的常规标签，而在此仅用于说明目的。电子自旋将谷-轨道能量本征态310A和310B分裂成自旋-谷-轨道能量本征态320A、320B、320C和320D。换句话说，电子自旋提供了能量本征态300的精细结构。
当存在时，核自旋将自旋-谷-轨道能量本征态316A、316B、317A、317B、318A、318B、318C、318D、320A、320B、320C和320D分裂成(核)自旋-谷-轨道能量本征态325、326、327、328和330。核自旋的值由缺陷的种类选择。当核自旋是自旋1/2时，分裂是两倍(如图所示)。当核自旋为自旋0(例如，缺陷204是硒78或硫32)时，没有分裂(未示出)，而当核自旋为自旋3/2(例如硫33)时，分裂是四倍(未示出)。换句话说，核自旋在能量本征态300中提供了超精细结构。
本文自旋-谷-轨道能量本征态316、317、318和320；以及自旋-自旋-谷-轨道能量本征态325、326、327、328和330可以被称为“轨道状态”，并且相关联的跃迁被称为“轨道跃迁”。
多个能量本征态300可以经由施加的电场、磁场、光、应变和温度的变化来修改。在图3B中针对磁场绘制了多个能量本征态300。图3A和图3B可以彼此相邻布置，使用能量本征态325、326、327、328和330来对准页面并形成一个示意图。
图3B是示出相对于磁场强度绘制的能级的曲线图350。曲线图350包括能量轴352和磁场轴354。针对磁场绘制了缺陷的多个能量本征态(即，允许的稳态)的能级。如图所示，缺陷是单电离的硫属元素深施主(例如，77Se+)，并且其他施主或电荷状态可能具有不同的能级，并且可能标记不同。多个本征态包括本征态325、326A、236B、326C、327、328、330A、330B、330C和330D。存在类似的图，其示出本征态325、326A、236B、326C、327、328、330A、330B、330C和330D如何随电场、温度、光和半导体材料上的应变的改变而变化。
曲线图350包括多个本征态之间的多个跃迁。示出了各种跃迁，例如能量差，但是多个本征态中的任何两个能量可以支持服从选择规则的跃迁，例如跃迁矩积分应该是非零的。跃迁被示出为在轴354上间隔开以减少视觉混乱并且跃迁可以在轴352上对齐。跃迁356A和跃迁356B在自旋-谷-轨道本征态325与自旋-谷-轨道本征态327中的一对本征态之间。跃迁358是自旋-谷-轨道本征态328中的本征态与自旋-谷-轨道本征态330A之间的跃迁。跃迁360在自旋-谷-轨道本征态325与自旋-谷-轨道本征态330D之间。跃迁362在自旋-谷-轨道本征态330的两个本征态——本征态330B与本征态330C——之间。
图4包括示出基于图3A和图3B中所示的能量本征态的计算状态的表400。量子计算和量子信息处理的计算状态随实现方式而变化。在一些实现方式中，第一(|0〉)计算状态和第二(|1〉)计算状态由(自旋-)自旋-谷-轨道状态限定。在一些实现方式中，多个量子位由单个缺陷的多个(自旋-)自旋-谷-轨道状态编码。在一些实现方式中，一个或更多个“量子”由多个(自旋-)自旋-谷-轨道状态编码。表400的第二列中示出的部分代码1具有第一计算状态|0>，其包括谷-轨道能量本征态306(标记为1s：A)，以及第二计算状态|1>，其包括谷-轨道能量本征态308A(标记为1s：T2)。部分代码1的自旋状态没有限定，并且计算状态之间的能量差也没有唯一限定。
在一些实现方式中，计算状态包括自旋状态。例如，缺陷204的核自旋的自旋状态。示例部分代码是|0>＝|＊，*，↓>oen和|1>＝|＊’＊，T>oen，其中“oen”是(谷-)轨道、电子和核指数，*是通配符。在一些实现方式中，计算状态包括缺陷204的电子的电子自旋。一个示例，部分代码为|0>＝|＊，＊，↓>oen和|1〉＝|＊，＊，T>oen。在一些实现方式中，计算状态包括缺陷204的电子自旋和核自旋，其中计算状态的不同在于电子自旋和核自旋中的没有一个、一个或两个。在一些实现方式中，上/下自旋标记约定对应于两个任意的自旋本征态，并且不必相对于背景磁场的对准来限定。在一些实现方式中，核自旋为3/2、5/2或更高，并且取上/下标记来表示许多可用的核自旋本征态中的两个。在一些实现方式中，缺陷的电荷状态拥有多个电子，并且取上/下标记来表示许多可用电子自旋本征态中的两个。
描述在磁场(例如，
)存在情况下的隔离的单离子化缺陷(例如，缺陷204)的核自旋和单个未配对的电子自旋的自旋相互作用的哈密顿量是：
前两项是电子自旋和核自旋的塞曼(Zeeman)项，而第三项是超精细相互作用。这里，μB是玻尔磁子，μn是核磁子，并且ge是电子g因子，gn是核g因子。
和
是全自旋运算的z部分(例如，
)，B是上文所定义的磁场；并且A是缺陷和环境(例如，半导体、场分布)相关的常数，即，超精细常数。不存在由于电子自旋的效应，核自旋状态的能量不同，能量例如对应于核谐振频率的
通常，核自旋状态的能量取决于附近的电子自旋状态和其他环境参数而不同。电子自旋状态在能量方面的差异也取决于核自旋等。通过在横向方向施加磁脉冲
自旋以核谐振频率振荡。在sigma-X运算的该示例中，自旋可以翻转，被置于状态的叠加等中。这使得磁操纵子系统(例如，图1中所示的输入子系统156的一部分)能够对多个缺陷的一个或更多个核或电子自旋执行磁谐振控制，例如NMR和ESR。磁谐振控制可以用于量子位运算，包括当量子位的计算状态在谷和/或轨道自由度方面不同时。
在一些实现方式中，计算状态包括电子自旋状态并且包括针对两个计算状态的相同的电子自旋，否则所述两个计算状态的不同在于谷和/或轨道状态。表400的第三列中示出的部分代码2具有第一计算状态|0>，其包括谷-轨道能量本征态1s：A和向下电子自旋状态、以及未指定的核状态。在部分代码2中，第一计算状态包括自旋-谷-轨道本征态316A或316B(图3A)。出于部分代码2的目的，采用能级316A来标记和表示电子自旋向下。第二计算状态包括谷-轨道本征态317A或317B(图3A)。出于部分代码2的目的，采用能级317A来标记和表示电子自旋向下。第二计算状态|1>包括谷-轨道能量本征态1s：T2(G7)、向下电子自旋状态、以及未指定的核状态。对于图3A和图3B中所示的缺陷和电荷状态，能级317A和317B具有反向电子自旋标记(即，电子自旋向下的能量高于电子自旋向上的能量)。对于自旋1/2核自旋，如图3B所示，计算状态316A与317A之间存在四种可能的能量差。部分代码2的计算状态之间的四个可能的能量差中的两个被标记为图3B中所示的跃迁356A和356B。
计算状态可以不同于谷-轨道能量本征态，而在自旋状态上没有差别。在表400的第三列中所示的代码3中具有第一计算状态|0>，其包括谷-轨道能量本征态1s：T2(G8)、对应于自旋向下的电子状态(例如，电子自旋量子数m＝-1/2)、以及向下核自旋状态。代码3的第一计算状态包括自旋-谷-轨道本征态328中的本征态。第二计算状态包括本征态330B。第二计算状态|1>包括谷-轨道能量本征态1s：E、向下电子自旋状态、以及向下核自旋状态。代码3的计算状态之间的能量差是图3B中所示的跃迁358的能量差。
计算状态可以相差于一个或更多个自旋状态，例如电子自旋、核自旋或者电子和核自旋。在表400的第五列中示出的代码4具有第一计算状态|0>，其包括谷-轨道能量本征态1s：A、向下电子自旋状态、以及向上核自旋状态。代码4的第一计算状态包括自旋-谷-轨道本征态325。第二计算状态包括自旋-谷-轨道本征态330D。第二计算状态|1>包括谷-轨道能量本征态1s：E、向上电子自旋状态、以及向下核自旋状态。代码4的计算状态之间的能量差是图3B中所示的跃迁360的能量差。
计算状态可以相差于一个或更多个自旋状态，例如电子自旋、核自旋或者电子和核自旋，但谷-轨道本征态没有不同。第二计算状态可以具有比第一计算状态的能量更高的能量。在表400的第六列中示出的代码5具有第一计算状态|0>，其包括谷-轨道能量本征态1s：E、向下电子自旋状态、以及向下核自旋状态。代码4的第一计算状态包括自旋-谷-轨道本征态330B。第二计算状态包括自旋-谷-轨道本征态330C。第二计算状态|1>包括谷-轨道能量本征态1s：E、向上电子自旋状态、以及向上核自旋状态。代码5的计算状态之间的能量差是图3B中所示的跃迁362的能量差。
描述电子自旋或核自旋的自旋轨道相互作用和孤立缺陷(例如作为缺陷204的一个示例的单电离缺陷)的轨道-谷跃迁的哈密顿量是大小为b×2×ns的复杂的方阵，其中ns依赖于核自旋的值，例如，如图4所示，s＝1/2，则ns＝2(当s＝0时，则ns＝0，并且s＝3/2，则ns＝4)。即，产生图3A的右手侧所示的本征态的相互作用可以由24×24哈密顿量表示。技术人员可以理解更紧凑的计算哈密顿量。
计算哈密顿量可以具有以下形式
其中，
泡利矩阵；
cx(t)、cy(t)、cz(t)是时间相关的控制信号；并且ε(t)也是时间相关的控制信号，在某些实现方式中，其比cz(t)变化得更慢。控制哈密顿量可以用于操纵缺陷204的计算状态。例如，控制哈密顿量可以用于将|1s：T2(G8)，↓，↓>操纵为|1s：E，↓，↓>，如表400所示。
在一些实现方式中，缺陷204与包括另一自由度的计算状态相关联(例如，支持，已针对其定义)。例如，缺陷204处的局部自由度，例如来自其他粒子，诸如电子、空穴或核自旋。
图5A和图5B是示出基于图3A和图3B中所示的能级的计算状态的示意图。图5A包括第一轴502，其包括向上和向下两个自旋状态，例如电子自旋状态，以及第二轴504，其包括例如针对缺陷204的两个谷-轨道本征态Ax：U和By：V。例如，Ax：U是谷-轨道本征态1s：T2(G8)并且By：V是谷-轨道本征态1s：E。因此，第一计算状态|0>506和第二计算状态|1>508可以与表400中的代码3中的相同。因此，第一计算状态506与第二计算状态508之间的跃迁510可以经由图3B中所示的跃迁358发生。
图5B包括第一轴552，其包括向上和向下两个自旋状态，以及第二轴554，其包括例如针对缺陷204的两个谷-轨道本征态Ax：U和By：V。例如，Ax：U是谷-轨道本征态1s：A，并且By：V是谷-轨道本征态1s：E。因此，第一计算状态556和第二计算状态558可以与表400中的代码4中的相同。第一计算状态556与第二计算状态558之间的跃迁可以经由跃迁560例如sigma-Y运算发生。第一计算状态556与第二计算状态558之间的跃迁可以经由跃迁560或者可以是多步跃迁。例如，经由跃迁562——没有自旋翻转的跃迁，以及跃迁564——通过临时状态557的自旋翻转。
图6A和图6B是示出经由辅助可观测物(例如光子)对缺陷204的测量操作的示意图。图6A包括半导体材料中的缺陷例如缺陷204的第一量子状态602。第一量子状态602包括针对(例如，定义在)缺陷(处)的第一计算状态和第二计算状态的线性组合。第一量子状态可以是多个量子位之间较大纠缠状态的部分轨迹。图6A包括用于辅助可观测物(例如，可以在缺陷附近传播的辅助光子)的第二量子状态604。
在第一计算状态中准备辅助光子。光子的计算状态可以基于光子的自由度，包括但不限于：极化(例如，水平对垂直，顺时针对逆时针)；存在或不存在；在一定时间段内存在；频率；相位；以及上述的组合。控制器例如处理器105对缺陷和辅助可观测物执行多量子位运算。例如，如图所示，多量子位运算是CNOT门。多量子位运算可以是任何纠缠运算，例如CNOT门、CPHASE运算、CPHASE运算加单量子位运算等。多量子位运算可以可替选地是非纠缠SWAP运算、SWAP运算加单量子位运算等。控制器例如处理器105实现辅助可观测物的测量608。
在时间段610，第一量子状态602和第二量子状态604具有联合状态α|00〉+β|10>。如所示出的，控制器对第一量子状态602和第二量子状态604执行CNOT门606。在时间段612，第一量子状态602和第二量子状态604具有联合状态α|00〉+β|11>。当测量608是强测量时，则测量608固定(fix)(例如，折叠、投影)缺陷的状态。测量608可以是在选定基(例如，计算哈密顿量的Z基)中的量子非破坏测量(QND)。如果描述可观测物与测量装置之间的相互作用的哈密顿量与可观测物交换，即如果[O，Hint]＝0，则获得QND测量。在给出的示例中，一个可能的QND测量可观测物是缺陷中的自旋-谷-轨道状态的Z基，而测量装置由辅助光子表示或作用于辅助光子。参见Braginsky，V.B.；和F.Ya.Khalili，1996Rev.Mod.Phys.68(1)：1-11。
图6B示意性地示出了缺陷的量子非破坏测量的一种表现形式。图6B包括缺陷的第一计算状态和第二计算状态的线性组合中的第一量子状态602和辅助可观测物的第二量子状态604。控制器对第一量子状态602和第二量子状态604执行多量子位运算，例如CNOT门606。控制器实现辅助可观测物的量子非破坏测量608。当测量608是强测量时，则测量608将缺陷的状态固定(例如，折叠、投影)到结果622。测量过程可以由循环654迭代。如果第一QND测量返回与状态|0>对应的结果622，则QND测量循环的每个后续迭代将应用于折叠的输入状态(即，结果622)，并且还返回结果|0>。如果第一QND测量返回与状态|1>对应的结果622，则QND测量循环的每个后续迭代将应用于折叠的输入状态(即，结果622)，并且还返回结果|1>。结果的出现次数可以记录在变量652中，例如，n0是结果|0>的计数。因此，控制器可以在存在光子损失的情况下在特定基础上执行高保真读出。
图7是示出量子信息处理器700的示意图。量子信息处理器700包括半导体材料202、一对示例性缺陷204-1和204-2以及耦合器702。耦合器702包括设置在半导体材料202中或上的、靠近缺陷204-1和204-2的光学结构。缺陷204-1与耦合器702间隔开距离704并且缺陷204-2与耦合器702间隔开距离706。距离704和距离706可以不同。距离704和/或距离706可以忽略不计。缺陷204-1可以设置在耦合器702的第一侧，而缺陷204-2可以设置在耦合器702的第二侧。控制器可以指示输入子系统，例如处理器105可以指示量子子系统156通过耦合器702传输光子。当距离704和706足够小时，给定半导体材料202和耦合器702的折射率和物理布局，耦合器702中的光子可以耦合到缺陷204-1和204-2。因此，控制器可以经由设置在耦合器702中的耦合器光子来实现或影响(例如，引起或改变)多量子位运算。虽然示出了一个耦合器(702)和两个缺陷(204-1和204-2)，但是量子信息处理器700可以包括不同数量的缺陷和耦合器。例如，量子信息处理器700可以包括每个耦合器三个缺陷。
控制器可以经由耦合器702经由虚光子实现或影响(例如，导致或改变)多量子位运算，例如经由真空状态耦合缺陷204-1和204-2。控制器可以通过改变耦合器702的光学特性来控制多量子位运算。例如，通过经由设置在半导体材料202中、上或附近的电路708将载流子(例如，电子、空穴)注入耦合器702。载流子改变耦合器702的折射率，并通过穿过耦合器702的虚光子来实现或影响(例如，引起或改变)多量子位运算。
图8示意性地示出了量子信息处理器800。量子信息处理器800包括半导体材料202和多个缺陷204，例如发光点缺陷。多个缺陷204包括第一缺陷、第二缺陷等。多个缺陷204以规则的二维阵列或晶格形式示出，但由于设计或由于制造过程中的不精确性而可能处于不规则的晶格中。多个缺陷204可以具有一维、二维或更多维的逻辑晶格。多个缺陷204可以在半导体材料202中在一个方向、两个方向或三个方向上延伸。量子信息处理器800包括各种光学结构802、804等。光学结构可以包括波导和谐振器。波导802接近(例如，足够接近以用于近场或渐逝波相互作用)至少一个缺陷，如所示出的，一对缺陷204。波导802可以包括在耦合器例如耦合器702中。波导802可以包括在实现图6A和图6B、图12等中描述的读出操作的读出装置中。
波导804(例如，如在半导体材料202中限定的)靠近多个缺陷204。如所示出的，波导804在一些缺陷204上对角地延伸但不需要直线延伸或覆盖缺陷204。波导806靠近包括缺陷204的多个缺陷。例如，波导806可以在包括缺陷204的多个缺陷附近覆盖半导体材料202。波导806延伸离开半导体材料202并且可以充当量子信息信道170、输入系统156等的一部分。波导808可以靠近包括在多个缺陷204中的一个缺陷设置。波导808可以充当信道170、输入系统156等的一部分。
量子信息处理器800包括围绕多个缺陷204中的第一缺陷的谐振器810。谐振器810可以用于初始化、操纵或读出相关联的第一缺陷的状态。量子信息处理器800包括靠近多个缺陷204中的第二缺陷的谐振器812。谐振器812可以用于初始化、操纵或读出相关联的缺陷的状态。在一些实现方式中，谐振器和波导靠近一个或更多个缺陷。
在量子信息处理器800中，多个缺陷204被布置成阵列或晶格，其中多个缺陷204中的每个缺陷通过多个偏移或平移中之一与另一缺陷间隔开。例如，跃迁820和跃迁822。在一些实现方式中，多个缺陷204都包括相同的计算状态。多个缺陷204可以包括具有第一对计算状态的第一组(例如，一个或更多个)缺陷和具有第二对计算状态的第二组(例如，一个或更多个)缺陷。本文至少参见图9的描述。
多个缺陷204可以包括具有多个相应量子位的相应缺陷。例如，第一缺陷可以包括具有谷-轨道状态的第一量子位，并且第一缺陷可以包括具有自旋状态的第二量子位。
图9示意性地示出了量子信息处理器900。量子信息处理器900包括半导体材料202、具有不同计算状态的多个缺陷204。在量子信息处理器900中，如所示出的，多个缺陷204布置在由平移902和平移904限定的阵列或晶格中。晶格可以是逻辑晶格或物理晶格。在一些实现方式中，多个缺陷204都包括多个计算状态(例如，如图4所示，包括在缺陷204中的第一缺陷可以使用代码3并且第二缺陷可以使用代码5)。例如，如图9所示，存在在多个缺陷204中使用的五(5)种类型的计算状态(标记为A至E)。如图所示，在量子信息处理器900中的行与行之间，在行开始处的缺陷的计算状态变化。因此，具有相同计算状态的类似缺陷对分布在量子信息处理器900上。由于能量差随计算状态而变化，因此基于特定能量差的单量子位运算和多量子位运算可以应用于量子信息处理器900的部分或全部，同时具有较低的机会影响其他(即非目标)缺陷。
图10示出了用于量子信息处理器诸如量子信息处理器200和800的操作的示例方法1000(包括例如动作1002、1004)。对于方法1000，与本文教导的其他方法一样，可以按照与所示出和所描述的顺序不同的顺序来执行各种动作。此外，这些方法可以省略一些动作，和/或采用额外的动作。方法1000的一个或更多个动作可以由或经由一个或更多个电路(例如，一个或更多个硬件处理器)来执行。在一些实现方式中，方法1000由控制器例如系统100的控制子系统104来执行。
方法1000通常从控制器的调用开始。在1002处，控制器准备包括一个或更多个缺陷的半导体本体的环境。例如，控制器执行处理器可执行指令，所述处理器可执行指令在被执行时使环境子系统和/或输入子系统156准备装置200。控制器可以根据电分布、磁分布、热分布或应变分布(即，磁场、电场、应变和热中的一个或更多个的变化分布)准备包括一个或更多个缺陷的半导体本体。
在1002处，控制器可以准备一个或更多个处于特定电荷状态(例如中性的、电离的)的缺陷。例如，处于中性状态的双原子具有两个束缚电子，并且当单独电离一个电子时。缺陷可以通过光电离、将载流子施加到周围的半导体材料等而被电离。
在1004处，控制器准备处于包括轨道状态的基准状态中的一个或更多个缺陷。例如，谷-轨道状态或自旋-谷-轨道状态。即，对于多个缺陷存在基准状态。对于一个或更多个缺陷中的代表性缺陷，基准状态包括自旋-谷-轨道状态，例如由谷和自旋相互作用分裂的轨道状态。控制器可以以包括动作1006、1008和1010的不同方式准备基准状态中的一个或更多个缺陷。
在1006处，控制器通过执行处理器可执行指令准备处于基准状态的一个或更多个缺陷，所述处理器可执行指令在被执行时使输入子系统将一个或更多个缺陷泵送到基准状态。例如，处理器105可以指示输入子系统156使用光输入装置或电输入装置将缺陷激发或提升到图4中所示的代码的计算状态。
在1008处，控制器通过执行处理器可执行指令准备处于基准状态中的一个或更多个缺陷，所述处理器可执行指令在被执行时使量子信息处理器等待一个或更多个缺陷驰豫到基准状态。
在1010处，控制器通过执行处理器可执行指令准备处于基准状态中的一个或更多个缺陷，所述处理器可执行指令在被执行时使量子信息处理器读出一个或更多个缺陷。即，测量一个或更多个缺陷(例如测量缺陷204)的状态。控制器可以读出如本文至少参照图1、图6A、图6B和图12描述的一个或更多个缺陷的状态。
控制器可以执行奇偶性测量，例如，测量一个或更多个缺陷中的多个缺陷的聚合属性。本文至少参照图1和图12描述奇偶性测量的示例。
如果一个或更多个缺陷的状态不是基准状态，则在1012处，控制器可以将缺陷操纵到基准状态。例如，如果缺陷由控制器测量并且具有状态|1>，则控制器可以对该缺陷执行位翻转运算，例如，σX|1>＝|0>。本文至少参照图11和图13描述了单个量子位运算的示例。可替选地，如果一个或更多个缺陷的状态不是基准状态，则在1012处，控制器可以基于缺陷处于另一状态例如第二计算状态来操纵缺陷。
方法1000结束直到再次被调用。方法1000之后可以是一个或更多个其他方法，例如方法1100。
图11示出了用于量子信息处理器诸如装置200和量子信息处理器700和900的操作的示例方法1100(包括例如动作1102、1104)。方法1100的一个或更多个动作可以由或经由一个或更多个电路例如一个或更多个硬件处理器执行。在一些实现方式中，方法1100由控制器例如系统100的处理器105执行。
方法1100通常通过来自控制器的调用开始。在1102处，控制器初始化处于包括轨道状态的状态中的一个或更多个缺陷。例如，控制器准备处于包括轨道状态(例如，自旋-谷-轨道)的基准状态中的一个或更多个缺陷。控制器可以通过执行方法1000准备处于基准状态中的一个或更多个缺陷。
在1104处，控制器应用一个或更多个运算来操纵一个或更多个缺陷的状态。例如，控制器执行处理器可执行指令，并且响应于执行处理器可执行指令，控制器指示一个或更多个运算来操纵一个或更多个缺陷的计算状态。在1106处，控制器应用一个或更多个单量子位运算来操纵一个或更多个缺陷的状态。在1108处，控制器应用一个或更多个多量子位运算来操纵两个或更多个缺陷的状态。例如，处理器105可以执行专用信息处理器控制指令130以指示量子信息处理器700中的缺陷204-1和缺陷204-2进行光耦合。
在1110处，控制器读出一个或更多个缺陷的状态。本文至少参照图1、图6A、图6B和图12描述了控制器如何读出一个或更多个缺陷的状态的示例。
方法1100结束直到再次被调用。
图12示出了用于量子信息处理器诸如量子信息处理器700和900的操作的示例方法1200。方法1200的一个或更多个动作(例如，动作1102、1104、1110、1202、1204)可以由或经由一个或更多个电路例如一个或更多个硬件处理器执行。在一些实现方式中，方法1200由控制器例如系统100的控制子系统104执行。
方法1200通常通过来自控制器的调用开始。在1102处，控制器将一个或更多个缺陷初始化为基准状态。在1104处，控制器应用一个或更多个运算来操纵一个或更多个缺陷的状态。
在1110处，控制器读出一个或更多个缺陷的状态。控制器可以以包括动作1202、1204、1206和1208的不同方式读出一个或更多个缺陷的状态。在1202处，控制器检测来自一个或更多个缺陷中的一个缺陷的光子的发射和状态。例如，输出子系统158包括指向包括在量子信息处理器800中的波导808的测量装置。在1204，控制器将包括在一个或更多个缺陷中的缺陷的状态映射到辅助光子。本文至少参照图6A和图6B描述了从缺陷的状态到辅助光子的状态的映射的示例。在1208处，控制器测量与一个或更多个缺陷相关联的一个或更多个自旋。自旋的状态可以指示缺陷的计算状态。即，两个计算状态的不同在于自旋值，例如图4中所示的代码4。本文中至少参照图15描述了与一个或更多个缺陷相关联的一个或更多个自旋的测量的示例。
控制器在动作1202、1204或1206处可以使用量子信息处理中已知的测量技术。例如，控制器在动作1202、1204或1206处可以执行奇偶性测量，例如，测量一个或更多个缺陷中的多个缺陷的聚合属性。在本文中至少参照图1和图12描述了奇偶性测量的示例。
控制器在动作1202、1204或1206处可以在叠加的基础上进行测量。控制器在动作1202、1204或1206处可以经由相关联的部件例如光学结构测量第一缺陷，或者辅助缺陷或报告缺陷。方法1200结束直到再次被调用。
图13示出了用于量子信息处理器诸如装置200、量子信息处理器700、800和900的操作的示例方法1300。方法1300的一个或更多个动作(例如，动作1102、1106、1302、1304等)可以由或经由一个或更多个电路(例如一个或更多个硬件处理器)来执行。在一些实现方式中，方法1300由控制器例如系统100的处理器105执行。在一些实现方式中，处理器105执行量子信息处理器控制指令130并且作为响应，系统100执行方法1300。
除其他部分外，图13示出了量子信息处理器诸如装置200、量子信息处理器800和900的动作1106。
方法1300通常通过来自控制器的调用开始。在1102处，控制器将一个或更多个缺陷初始化为基准状态。在1106处，控制器应用一个或更多个单量子位运算来操纵一个或更多个缺陷的状态。控制器可以应用一个或更多个单量子位运算以包括动作1302、1304和1306的不同方式来操纵一个或更多个缺陷的状态。
在1302处，控制器向一个或更多个缺陷施加(或导致被施加)脉冲信号。脉冲信号是具有适当相位和持续时间以实现门运算的适当频率(例如，接近计算状态的能量差)的时变信号(例如，整形)。例如，控制器可以对一个或更多个缺陷实施pi/2sigma-X脉冲。脉冲信号可以经由磁操纵子系统实现，磁操纵子系统包括线圈210、天线212和波形发生器，例如可从美国俄勒冈州比弗顿的Tektronix,Inc.公司获得的Tektronix AWG5200发生器。
在1302处，控制器可以使信号以适当的频率施加，适当的频率例如对应于量子位的旋转坐标系中量子位的计算状态之间的能量差的频率。例如，量子位可以由沿布洛赫球体上定义的路径的一系列脉冲驱动，从而实现改变计算状态之间的有效能量差。这样的驱动的量子位可以经由接近谐振的信号操纵到该改变的能量差。
在1302处，控制器可以通过两个主要信号的和或差施加信号。例如，控制器使输入子系统施加两个频率相差“近似计算”频率差的脉冲。
在一些实现方式中，控制器通过经历如图5B中所示的跃迁562、跃迁564和临时状态557所指示的中间(临时)状态来影响单个量子位运算。即，控制器经由输入子系统施加多个脉冲。例如，第一脉冲包括与第一计算状态与临时状态之间的能量差相对应的第一频率。第二脉冲包括与临时状态与第一计算状态和第二计算状态之间的能量差相关的第二频率。
在1304处，控制器改变(或导致被改变)一个或更多个缺陷的物理状况。例如，控制器可以指示输入子系统156改变磁场、电场、应变和热的分布。例如，控制器可以使电极208改变缺陷204的电场。控制器可以操作光源206以改变缺陷204的电场。在一些实现方式中，控制器可以经由一个或更多个磁输入部件例如线圈210改变磁场分布。控制器可以经由一个或更多个机械输入装置改变应变分布(例如，强度、位置、梯度、各向异性)。在一些实现方式中，控制器可以改变一个或更多个量子信息处理器的热分布。例如，控制器可以使加热器217和冷却器218改变缺陷的温度。
在1306处，控制器操纵(或导致被操纵)与一个或更多个缺陷相关联的自旋。控制器可以向一个或更多个缺陷施加(或导致被施加)脉冲信号。脉冲信号可以经由磁操纵子系统、线圈210和天线212来实现。脉冲信号可以指向与一个或更多个缺陷相关联的电子自旋或核自旋。控制器可以将信息从与一个或更多个缺陷相关联的计算(例如，自旋-谷-轨道)状态映射到一个或更多个自旋状态，操纵一个或更多个自旋状态，并且将一个或更多个自旋状态映射回一个或更多个缺陷的计算状态。控制器可以将信息从与一个或多个缺陷相关联的第一组计算(例如，自旋-谷-轨道)状态映射到第二组计算状态，在该第二组计算状态内操纵信息，并将信息映射回到一个或更多个缺陷的第一组计算状态。换言之，在1306处，控制器通过临时操纵相关联的自由度例如自旋以将相位赋予计算(例如轨道)状态的叠加来操纵缺陷。在1306处，控制器可以操纵其他辅助自由度。
方法1300结束直到再次被调用。
图14示出了用于量子信息处理器诸如量子信息处理器700、800和900的操作的示例方法1400。方法1400的一个或更多个动作(例如，动作1102、1108、1402、1404)可以由或经由一个或更多个电路例如一个或更多个硬件处理器执行。在一些实现方式中，方法1400由控制器例如系统100的控制子系统104执行。在一些实现方式中，控制子系统104执行量子信息处理器控制指令130并且作为响应，系统100执行方法1400。
除了其他部分外，图14示出了量子信息处理器诸如装置200、量子信息处理器700和900的动作1108的示例。
方法1400通常通过来自控制器的调用开始。在1102处，控制器将一个或更多个缺陷初始化为基准状态。在1108处，控制器应用一个或更多个多量子位运算来操纵两个或更多个缺陷的状态。控制器可以应用一个或更多个多量子位运算以包括动作1402、1404、1406和1408的不同方式来操纵两个或更多个缺陷的状态。除非上下文另有指示，否则本文提及的两个包括两个或多个。
在1402处，控制器使两个缺陷进入接近谐振。例如，控制器可以使图9中所示的类型A的缺陷204和类型B的缺陷204接近谐振。对于两个缺陷中的一个或更多个，控制器可以改变电场和/或磁场和/或应变。第一缺陷可以在一对计算状态之间具有第一跃迁，并且第二缺陷可以在另一对计算状态之间具有第二跃迁。计算状态对(pairs of computationalstates)可以在逻辑上等同，例如，两对|0>和|1>，这可能基于相同或不同的轨道状态。控制器可以使第一跃迁与第二跃迁谐振。也就是说，谐振条件可以是针对各个缺陷的第一计算状态与第二计算状态之间的能量差的。控制器可以通过以第二缺陷的第二跃迁的频率或几乎以第二缺陷的第二跃迁的频率驱动第一缺陷的第一跃迁，使两个或更多个缺陷进入接近谐振。控制器可以通过以相同的旋转频率或几乎相同的旋转频率驱动两个或更多个缺陷，使两个或更多个缺陷进入接近谐振。控制器可以将两个或更多个缺陷进入接近谐振，以在相应缺陷的旋转坐标系中进行跃迁。参见S.R.Hartmann和E.L.Hahn,1962Phys.Rev.128:2042–2053。
在1404处，控制器经由靠近两个缺陷的耦合器中的耦合器光子来调节两个缺陷的相互作用。例如，耦合器702——一种光学结构，靠近第一缺陷204-1和第二缺陷204-2设置，并且通信地耦接至输入子系统，例如输入子系统156。控制器可以响应于执行处理器可执行指令，指示输入子系统经由设置在耦合器中的至少一个耦合器光子耦合第一缺陷和第二缺陷。
在1406处，控制器经由靠近两个缺陷的耦合器中的虚光子来调节两个缺陷的相互作用。控制器可以响应于执行处理器可执行指令，指示输入子系统经由设置在耦合器中的虚光子来耦合第一缺陷和第二缺陷。即，第一缺陷和第二缺陷经由耦合器的真空状态相互作用。控制器可以通过例如拉紧耦合器或改变耦合器中的载流子来实现多量子位运算，至少如图7所示和所描述。
在1408处，控制器经由中间跃迁耦合两个缺陷。例如，耦合器包括选择性地与第一缺陷和第二缺陷中的跃迁谐振的跃迁。控制器可以致使输入子系统使第一缺陷的第一跃迁、第二缺陷的第二跃迁和第三中间耦合器跃迁进入接近谐振。方法1400结束直到再次被调用。
图15示出了用于量子信息处理器诸如量子信息处理器800和900的操作的示例方法1500。方法1500的一个或更多个动作(例如，动作1102、1502、1504)可以由或通过一个或更多个电路例如一个或更多个硬件处理器执行。方法1500的一个或更多个动作可以由或经由一个或更多个电路例如一个或多个硬件处理器来执行。在一些实现方式中，方法1500由控制器例如系统100的处理器105来执行。在一些实现方式中，处理器105执行专用信息处理器控制指令130并且作为响应，系统100执行方法1500。
图15示出了用于量子信息处理器诸如量子信息处理器700和900的操作方法的实现等。方法1500包括将信息从轨道状态映射到自旋状态以及/或者将信息从自旋状态映射到轨道状态的动作。
方法1500通常通过来自控制器的调用开始。在1102处，控制器将一个或更多个缺陷初始化为基准状态。在1502处，可选动作，控制器应用一个或更多个运算来操纵一个或更多个缺陷的轨道状态。在1504处，控制器将一个或更多个缺陷的轨道状态映射到一个或更多个缺陷的一个或更多个自旋状态。在1506处，可选动作，控制器操纵一个或更多个缺陷的自旋状态。例如，输入子系统156将第一自旋状态和第二自旋状态的第一线性组合操纵成自旋状态的第二线性组合。
在1508处，可选动作，控制器使输出子系统例如输出子系统158测量一个或更多个缺陷的一个或更多个自旋状态。本文至少参照图12描述了与一个或更多个缺陷相关联的一个或更多个自旋的测量的示例。在1510处，控制器将一个或更多个缺陷的一个或更多个自旋状态映射到一个或更多个缺陷的计算(例如轨道)状态。
方法1500结束直到再次被调用。方法1500之后可以是其他方法或动作，例如参照图12描述的那些方法或动作。
示例
下面描述了量子信息处理装置和系统的示例。
示例量子信息处理装置包括硅本体和设置在半导体本体内的一个或更多个深能级缺陷。包括在一个或更多个深能级缺陷中的相应深能级缺陷具有多个轨道状态。多个轨道状态包括表示计算信息的成对的轨道状态(a pair of orbital states)。量子信息处理装置还包括控制系统，该控制系统通信地耦接至半导体本体并且可操作以从表示计算信息的成对的轨道状态中选择性地创建状态的线性组合。
示例信息处理系统包括量子信息处理器。量子信息处理器包括半导体本体。第一深能级缺陷设置在半导体本体内。第一深能级缺陷包括：第一多个自旋-谷-轨道状态；包括第一多个自旋-谷-轨道状态中的第一自旋-谷-轨道状态的第一计算状态；以及包括第一多个自旋-谷-轨道状态中的第二自旋-谷-轨道状态的第二计算状态。
下面描述了量子信息处理装置和系统(例如本文公开的装置和系统)的示例操作方法。
示例信息处理系统包括量子信息处理器。量子信息处理器包括半导体本体、设置在半导体本体内的第一深能级缺陷、通信地耦接至量子信息处理器的输入子系统、以及通信地耦接至输入子系统的至少一个处理器。
用于操作这样的信息处理系统的示例方法包括经由输入子系统将第一缺陷初始化为包括第一自旋-谷-轨道状态的第一计算状态。
示例1：一种量子信息处理装置，包括主要由硅组成的半导体本体、设置在半导体本体内的一个或更多个缺陷。一个或更多个缺陷中包括的相应缺陷具有多个轨道状态，并且多个轨道状态包括表示计算信息的成对的轨道状态。该装置还包括控制系统，该控制系统包括通信地耦接至半导体本体的电路，并且响应于处理器可执行指令的执行，从表示计算信息的成对的轨道状态创建状态的线性组合。
示例2：根据示例1的装置，其中，多个轨道状态还包括多个谷-轨道状态，其中半导体本体将多个轨道状态中包括的至少一个轨道状态分裂成多个谷-轨道状态。并且此外，表示计算信息的成对的轨道状态包括第一计算状态以及第二计算状态，第一计算状态包括多个谷-轨道状态中包括的第一谷-轨道状态，第二计算状态包括多个谷-轨道状态中包括的第二谷-轨道状态。
示例3：根据示例2的装置，其中，多个轨道-谷状态还包括多个自旋-谷-轨道状态，其中，电子自旋或者电子自旋和核自旋将多个谷-轨道状态中包括的至少一个谷-轨道状态分裂成多个自旋-谷-轨道状态。并且此外，第一计算状态还包括多个自旋-谷-轨道状态中包括的第一自旋-谷-轨道状态。第二计算状态还包括多个自旋-谷-轨道状态中包括的第二自旋-谷-轨道状态。
示例4：根据示例1至3的装置，其特征在于，控制系统还包括磁输入部件和射频输入部件，该磁输入部件响应于处理器可执行指令的执行，将磁场施加到设置在半导体本体内的一个或更多个缺陷，该射频输入部件响应于处理器可执行指令的执行，将射频脉冲施加到设置在半导体本体内的一个或更多个缺陷。
示例5：根据示例1至4的装置，其特征在于，控制系统还包括天线，该天线响应于处理器可执行指令的执行，改变入射在半导体本体上的电场。
示例6：根据示例1至5的装置，其中，控制系统还包括致动器，该致动器响应于处理器可执行指令的执行，改变半导体本体的应变分布。
示例7：根据示例1至6的装置，其中，控制系统还包括冷却器，该冷却器响应于处理器可执行指令的执行，改变半导体本体的热分布。
示例8：根据示例1至7的装置，其中，控制系统还包括光输入部件，该光输入部件响应于处理器可执行指令的执行，以接近第二频率的第一频率向半导体本体施加光。该第二频率对应于表示计算信息的成对的轨道状态之间的能量差。
示例9：根据示例1至8的装置，还包括读出系统，该读出系统耦接至半导体本体并且可操作以读出设置在半导体本体内的一个或更多个缺陷的状态。
示例10：根据示例1至9的装置，其中，一个或更多个缺陷包括第一缺陷和第二缺陷，并且该装置还包括：耦合器，该耦合器通信地耦合至第一缺陷和第二缺陷，并且其响应于处理器可执行指令的执行，耦合第一缺陷和第二缺陷。
示例11：根据示例1至10的装置，其中，一个或更多个缺陷中的至少一个缺陷是点缺陷、深能级缺陷、发光缺陷、间隙缺陷、空位缺陷、取代缺陷、或损坏中心。
示例12：一种包括量子信息处理器的信息处理系统，量子信息处理器包括：主要由硅组成的半导体本体；以及设置在半导体本体内的第一缺陷。第一缺陷包括第一多个自旋-谷-轨道状态，第一多个自旋-谷-轨道状态包括第一自旋-谷-轨道状态和第二自旋-谷-轨道状态。该系统还包括控制子系统，该控制子系统包括通信地耦接至量子信息处理器的电路，以及通信地耦接至控制子系统的至少一个处理器，以及通信地耦接至至少一个处理器的至少一个有形计算机可读存储装置。存储装置存储处理器可执行指令，处理器可执行指令当由至少一个处理器执行时，使至少一个处理器指示控制子系统将第一缺陷初始化为包括第一自旋-谷-轨道状态的第一计算状态。
示例13：根据示例12的系统，其中，处理器可执行指令指示控制子系统将第一缺陷初始化为第一计算状态，处理器可执行指令当被执行时，使至少一个处理器：等待第一缺陷驰豫到(relax to)第一计算状态。
示例14：根据示例12至13的系统，其中，处理器可执行指令指示控制子系统将第一缺陷初始化为第一计算状态，处理器可执行指令当被执行时，使至少一个处理器将第一缺陷泵送到第一计算状态。
示例15：根据示例12至14的系统，其中，处理器可执行指令指示控制子系统将第一缺陷初始化为第一计算状态，处理器可执行指令在被执行时，使至少一个处理器测量第一缺陷，以实现到第一计算状态或包括第二自旋-谷-轨道状态的第二计算状态的投影。
示例16：根据示例12至15的系统，其中，在第一缺陷处于第二计算状态的情况下，处理器可执行指令指示控制子系统将第一缺陷初始化为第一计算状态，处理器可执行指令在被执行时，使至少一个处理器指示控制子系统将第一深能级缺陷操纵到第一计算状态，或指示控制子系统基于第一缺陷处于第二计算状态而操纵第一缺陷。
示例17：根据示例12至16的系统，其中，处理器可执行指令在被执行时，还使至少一个处理器指示控制子系统将第一缺陷操纵到第一计算状态和第二计算状态的线性组合。
示例18：根据示例17的系统，其中，处理器可执行指令指示控制子系统将缺陷操纵到第一计算状态和第二计算状态的第一线性组合，处理器可执行指令当被执行时，使至少一个处理器经由控制子系统施加与第一计算状态与第二计算状态之间的能量差接近谐振的输入信号。
示例19：根据示例17的系统，其中，处理器可执行指令经由控制子系统施加与第一计算状态与第二计算状态之间的能量差接近谐振的输入信号，处理器可执行指令在被执行时，使至少一个处理器：实现sigma-X运算、实现sigma-Y运算或实现sigma-Z运算。
示例20：根据示例12至19的系统，其中，第一缺陷包括多个自旋状态，多个自旋状态包括第一自旋状态和第二自旋状态，并且其中，处理器可执行指令当被执行时，还使至少一个处理器经由控制子系统将第一计算状态和第二计算状态的第一线性组合映射到第一自旋状态和第二自旋状态的第二线性组合。
示例21：根据示例20的系统，其中，处理器可执行指令当被执行时，还使至少一个处理器指示控制子系统将第一自旋状态和第二自旋状态的第二线性组合操纵成第一自旋状态和第二自旋状态的第三线性组合。
示例22：根据示例21的系统，其中，处理器可执行指令当被执行时，还使至少一个处理器经由控制子系统将第一自旋状态和第二自旋状态的第三线性组合映射到第一计算状态和第二计算状态的第四线性组合。
示例23：根据示例20的系统，其中，处理器可执行指令当被执行时，还使至少一个处理器经由控制子系统将第一自旋状态和第二自旋状态的第二线性组合映射成第一计算状态和第二计算状态的第四线性组合。
示例24：根据示例12至23的系统，还包括输出子系统，该输出子系统通信地耦接至至少一个处理器和量子信息处理器。并且其中，处理器可执行指令当被执行时，还使至少一个处理器指示输出子系统读出第一缺陷的状态。
示例25：根据示例24的系统，其中，处理器可执行指令读出第一缺陷的状态，处理器可执行指令当被执行时，使至少一个处理器测量从第一缺陷发射的光子。
示例26：根据示例25的系统，其中，处理器可执行指令读出第一缺陷的状态，处理器可执行指令当被执行时，使至少一个处理器指示输出子系统将第一缺陷的状态映射到接近第一缺陷的辅助光子，并指示输出子系统测量辅助光子的状态。
示例27：根据示例26的系统，其中，处理器可执行指令指示输出子系统测量辅助光子的状态，处理器可执行指令当被执行时，使至少一个处理器指示输出子系统经由量子非破坏测量来测量辅助光子的状态。
示例28：根据示例25的系统，其中，第一缺陷包括多个自旋状态，多个自旋状态包括第一自旋状态和第二自旋状态，并且其中，处理器可执行指令当被执行时，还使至少一个处理器经由控制子系统将第一计算状态和第二计算状态的第一线性组合映射到第一自旋状态和第二自旋状态的第二线性组合。用于读出第一缺陷的状态的处理器可执行指令在被执行时使至少一个处理器测量包括在多个自旋状态中的自旋状态。
示例29：根据示例12至28的系统，还包括设置在半导体本体内的第二缺陷。第二缺陷包括第二多个自旋-谷-轨道状态，第二多个自旋-谷-轨道状态包括第三自旋-谷-轨道状态和第四自旋-谷-轨道状态。此外，第三计算状态包括第三自旋-谷-轨道状态，以及第四计算状态包括第四自旋-谷-轨道状态。
示例30：根据示例29的系统，其中，第一计算状态在逻辑上等同于第三计算状态，并且第二计算状态在逻辑上等同于第四计算状态。
示例31：根据示例30的系统，其中，第一自旋-谷-轨道状态等于第三自旋-谷-轨道状态，并且第二自旋-谷-轨道状态等于第四自旋-谷-轨道状态。
示例32：根据示例29的系统，还包括耦合器，该耦合器接近在第一缺陷和第二缺陷布置，并且通信地耦接至控制子系统，并且该装置还包括，其中，处理器可执行指令当被执行时，还使至少一个处理器指示控制子系统耦合第一缺陷和第二缺陷。
示例33：根据示例32的装置，用于耦合第一缺陷和第二缺陷的处理器可执行指令当被执行时，还使至少一个处理器指示控制子系统经由设置在耦合器中的耦合器光子来耦合第一缺陷和第二缺陷。用于耦合第一缺陷和第二缺陷的处理器可执行指令当被执行时，还使至少一个处理器指示控制子系统经由设置在耦合器中的虚光子耦合第一缺陷和第二缺陷，并且指示控制子系统使第一计算状态与第二计算状态之间的第一跃迁与第三计算状态和第四计算状态之间的第二跃迁接近谐振。或者在耦合器包括第三跃迁的情况下，指示控制子系统致使第一跃迁、第二跃迁和第三跃迁进入接近谐振。
示例34：根据示例12至28的系统，其中，第一缺陷是点缺陷、深能级缺陷、发光缺陷、间隙缺陷、空位缺陷、取代缺陷或损坏中心。
示例35：根据示例29至33的系统，其中，第二缺陷是点缺陷、深能级缺陷、发光缺陷、间隙缺陷、空位缺陷、取代缺陷或损坏中心。
示例36：一种信息处理系统的操作方法，该信息处理系统包括：包括半导体本体的量子信息处理器、设置在半导体本体内的第一缺陷、通信地耦接至量子信息处理器的控制子系统、以及通信地耦接至控制子系统的至少一个处理器，该方法包括经由控制子系统将第一缺陷初始化为包括第一自旋-谷-轨道状态的第一计算状态。
示例37：根据示例36的方法，其中，将第一缺陷初始化为第一计算状态包括等待第一缺陷驰豫到第一计算状态。
示例38：根据示例36或37的方法，其中，将第一缺陷初始化为第一计算状态包括经由控制子系统将第一缺陷泵送到第一计算状态。
示例39：根据示例36至38的方法，其中，将第一缺陷初始化为第一计算状态包括：测量第一缺陷以实现第一缺陷到第一计算状态或包括第二个自旋-谷-轨道状态的第二计算状态的投影。
示例40：根据示例39的方法，其中，在第一缺陷处于第二计算状态的情况下，该方法还包括经由控制子系统将第一缺陷操纵到第一计算状态，或者通过至少一个处理器改变要由控制子系统基于第一缺陷处于第二计算状态对第一缺陷执行的一个或更多个操纵。
示例41：根据示例36至40的方法，还包括经由控制子系统将第一缺陷操纵为第一计算状态和包括第二自旋-谷-轨道状态的第二计算状态的线性组合。
示例42：根据示例41的方法，其中，将第一缺陷操纵为第一计算状态和第二计算状态的线性组合包括经由控制子系统施加与第一计算状态和第二计算状态之间的能量差接近谐振的输入信号。
示例43：根据示例41的方法，其中，将第一缺陷操纵为第一计算状态和第二计算状态的线性组合包括经由控制子系统应用sigma-X运算、经由控制子系统应用sigma-Y运算、或经由控制子系统应用sigma-Z运算。
示例44：根据示例41的方法，其中，第一缺陷包括多个自旋状态，多个自旋状态包括第一自旋状态和第二自旋状态，该方法还包括经由控制子系统将第一计算状态和第二计算状态的第一线性组合映射到第一自旋状态和第二自旋状态的第二线性组合。
示例45：根据示例44的方法，还包括经由控制子系统将第一自旋状态和第二自旋状态的第二线性组合操纵成第一自旋状态和第二自旋状态的第三线性组合。
示例46：根据示例45的方法，还包括经由控制子系统将第一自旋状态和第二自旋状态的第三线性组合映射成第一计算状态和第二计算状态的第四线性组合。
示例47：根据示例44的方法，还包括经由控制子系统将第一自旋状态和第二自旋状态的第二线性组合映射成第一计算状态和第二计算状态的第五线性组合。
示例48：根据示例36至47的方法，其中，信息处理系统还包括输出子系统，该输出子系统通信地耦接至至少一个处理器和量子信息处理器，该方法还包括经由输出子系统测量第一缺陷的状态。
示例49：根据示例46的方法，还包括经由输出子系统测量来自第一缺陷的发射光子。
示例50：根据示例49的方法，还包括将第一缺陷的状态映射到接近第一缺陷的辅助光子，并且经由输出子系统测量辅助光子的状态。
示例51：根据示例50的方法，其中，经由输出子系统测量辅助光子的状态还包括经由输出子系统经由量子非破坏测量来测量辅助光子的状态。
示例52：根据示例50的方法，其中，第一缺陷包括多个自旋状态，多个自旋状态包括第一自旋状态和第二自旋状态，并且该方法还包括经由控制子系统将第一计算状态和第二计算状态的第一线性组合映射为第一自旋状态和第二自旋状态的第二线性组合。该方法还包括经由输出子系统测量包括在多个自旋状态中的自旋状态。
示例53：根据示例50的方法，其中，量子信息处理器还包括设置在半导体本体内的第二缺陷。并且该方法还包括经由输出子系统测量第一缺陷和第二缺陷的奇偶性状态。
示例54：根据示例38的方法，其中，量子信息处理器还包括设置在半导体本体内的第二缺陷、接近第一缺陷和第二缺陷设置并且通信地耦接至控制子系统的耦合器。该方法还包括经由耦合器耦合第一缺陷和第二缺陷。
示例55：根据示例54的方法，其中，经由耦合器耦合第一缺陷和第二缺陷还包括经由设置在耦合器中的耦合器光子耦合第一缺陷和第二缺陷。
示例56：根据示例54的方法，其中，经由耦合器耦合第一缺陷和第二缺陷还包括经由设置在耦合器中的虚光子耦合第一缺陷和第二缺陷。
示例57：根据示例36至56的方法，其中，第一缺陷具有包括第二自旋-谷-轨道状态的第二计算状态，量子信息处理器还包括设置在半导体本体内的第二缺陷，并且具有包括第三自旋-谷-轨道的第三计算状态和包括第四自旋-谷-轨道状态的第四计算状态。该方法还包括：使第一计算状态和第二计算状态之间的第一跃迁与第三计算状态和第四计算状态之间的第二跃迁接近谐振。
示例58：根据示例57的方法，其中，量子信息处理器还包括接近第一缺陷和第二缺陷设置的耦合器，并且该耦合器包括第三跃迁，该方法还包括使第一跃迁、第二跃迁、第三跃迁进入接近谐振。
除非本文另有说明，或者除非上下文另有明确规定，否则关于修改数值的术语是指正负百分之十(10)。除非另有说明，或除非上下文另有规定，否则两个数值之间应理解为两个数值之间并包括这两个数值。
在以上描述中，包括了一些具体细节以提供对各种公开实现方式的理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些特定细节、方法的部分、部件、材料等中的一个或更多个的情况下实践实现方式。在一些情况下，并未详细示出或描述与半导体和/或光学装置和/或量子计算和/或量子信息处理相关联的公知的结构，例如目标、基板、透镜、波导、屏蔽、过滤器、激光器、处理器可执行指令(例如，BIOS、驱动程序)，以避免不必要地模糊所公开的实现方式的描述。
在本说明书和所附权利要求书中，应用于“实施方式”、“示例”或“实现方式”的“一”、“该”、“一个”或“另一个”在结合实施方式、示例或实现方式描述的特定参考特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式、示例或实现方式中的意义上使用。因此，诸如“在一个实施方式中”、“在实施方式中”或“另一个实施方式”之类的短语不一定都指代相同的实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或更多个实施方式、示例或实现方式中以任何合适的方式组合。
如在本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式的冠词，例如“一”、“一个”和“该”包括复数所指对象，除非上下文另有要求。还应注意，除非上下文另有规定，否则术语“或”通常以其包括“和/或”的含义使用。
除非上下文另有要求，在本说明书和所附权利要求中，词语“包括”及其变体，例如“包含”和“具有”应以开放的、包含性的意义解释，即作为“包括但不仅限于”。
本说明书中或任何申请数据页中提及的美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物的全部均通过引用将其整体并入本文用于所有目的。
虽然本文描述了所描述的实施方式和实现方式的某些特征，但是本领域技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖落入所描述的实施方式和实现方式的范围内的所有这样的修改和变化。
术语解释
除非上下文另有明确要求，否则贯穿说明书和权利要求：
·“包括”、“包含”等应被解释为包含的意义，而不是排他的或详尽的意义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上；
·“连接”、“耦接”或其任何变体，是指两个或更多个元件之间直接或间接的任何连接或耦接；元件之间的耦接或连接可以是物理的、逻辑的或它们的组合；
·“本文”、“上文”、“下文”和含义类似的词语，当用于描述本说明书时，应该指本说明书的整体，而不指本说明书的任何特定部分；
·关于两项或更多项的列表，“或”涵盖该词的所有下列解释：列表中的任何项、列表中的所有项、以及列表中的项的任何组合；
·单数形式“一”、“一个”和“该”也包括任何适当的复数形式的含义。
说明书和任何随附权利要求(如果存在)中使用的指示方向的词，如“垂直”、“横向”、“水平”、“向上”、“向下”、“向前”、“向后”、“向内”、“向外”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“以下”、“以上”、“下方”取决于所描述和所示出的装置的特定取向。本文描述的主题可以假设各种替代取向。因此，这些方向性术语没有严格定义，不应狭义解释。
本发明的实施方式和本发明的实施方式中的控制系统可以使用下述来实现：专门设计的硬件、可配置硬件、通过提供能够在数据处理器上执行的软件(其可以可选地包括“固件”)而配置的可编程数据处理器、被专门编程、配置或构造以执行如本文详细解释的方法中的一个或更多个步骤的专用目的计算机或数据处理器、和/或这些中的两个或更多个的组合。专门设计的硬件的示例是：逻辑电路、专用集成电路(“ASIC”)、大规模集成电路(“LSI”)、超大规模集成电路(“VLSI”)等。可配置硬件的示例是：一个或更多个可编程逻辑器件，例如可编程阵列逻辑(“PAL”)、可编程逻辑阵列(“PLA”)和现场可编程门阵列(“FPGA”)。可编程数据处理器的示例是：微处理器、数字信号处理器(“DSP”)、嵌入式处理器、图形处理器、数学协处理器、通用计算机、服务器计算机、云计算机、大型计算机、计算机工作站等。例如，装置的控制电路中的一个或更多个数据处理器可以通过执行处理器可访问的程序存储器中的软件指令来实现如本文所描述的方法。
处理可以是集中的或分布式的。在处理是分布式的情况下，包括软件和/或数据的信息可以保持集中或分布式。这样的信息可以借助通信网络例如局域网(LAN)、广域网(WAN)或因特网、有线或无线数据链路、电磁信号或其他数据通信信道在不同的功能单元之间交换。
虽然过程或块以给定的顺序呈现，但替代示例可以以不同的顺序执行具有步骤的例程或者采用具有过程或块的系统，并且一些过程或块可以被删除、移动、添加、细分、组合和/或修改以提供替代或子组合。这些过程或块中的每一个都可以以多种不同的方式实现。此外，虽然过程或块有时被示为串行执行，但这些过程或块可以可替代地并行执行，或可在不同时间执行。
此外，虽然元素有时被示为按顺序执行，但它们也可以同时或以不同的顺序执行。因此，所附权利要求旨在解释为包括在其预期范围内的所有这样的变化。
本发明的一些实施方式以程序产品的形式提供。程序产品可以包括承载一组计算机可读指令的任何非暂态介质，计算机可读指令在由数据处理器执行时使数据处理器执行或协调本发明的方法的执行。根据本发明的程序产品可以是多种形式中的任何一种。程序产品可以包括，例如，非暂态介质，例如磁性数据存储介质，包括软盘、硬盘驱动器，光学数据存储介质，包括CD ROM、DVD，电子数据存储介质，包括ROM、闪存RAM、EPROM、硬连线或预编程芯片(例如，EEPROM半导体芯片)、纳米技术存储器等。程序产品上的计算机可读信号可以可选地被压缩或加密。
在一些实施方式中，本发明可以用软件实现。为了更清楚，“软件”包括在处理器上执行的任何指令，并且可以包括(但不限于)固件、常驻软件、微代码等。如本领域技术人员所知，处理硬件和软件两者都可以全部或部分地是集中式的或分布式的(或其组合)。例如，软件和其他模块可以经由本地存储器、经由网络、经由浏览器或分布式计算环境中的其他应用或经由适用于上述目的的其他手段来访问。
除非另有说明，否则在上文引用部件(例如软件模块、处理器、组件、装置、电路等)时，对该部件的引用(包括对“装置”的引用)应被解释为包括作为该部件的等效物的任何执行所描述的部件的功能的部件(即，功能等效)，包括结构上不等效于执行本发明的所示示例性实施方式中的功能的所公开的结构的部件。
出于说明的目的，本文描述了系统、方法和装置的具体示例。这些只是示例。本文提供的技术可以应用于除以上描述的示例系统之外的系统。在本发明的实践内，许多改变、修改、添加、省略和置换是可能的。本发明包括对本领域技术人员明显的所描述的实施方式的变化，包括通过以下处理获得的变化：用等效的特征、元件和/或动作替换特征、元件和/或动作；来自不同实施方式的特征、元素和/或动作的混合和匹配；将来自如本文所描述的实施方式的特征、元素和/或动作与其他技术的特征、元素和/或动作相结合；和/或省略将来自所描述的实施方式的特征、元素和/或动作组合。
各种特征在本文中被描述为存在于“一些实施方式”中或“在一些实现方式中”。这样的特征不是强制性的并且可能不会出现在所有实施方式中。本发明的实施方式可以包括两个或更多个这样的特征中的零个、任何一个或任何组合。这仅限于这样的特征中的某些特征与这样的特征中的其他特征不兼容的程度，即本领域普通技术人员不可能构建将这样的不兼容特征进行组合的实际实施方式。最后，“一些实施方式”具有特征A并且“一些实施方式”具有特征B的描述应被解释为明确表示发明人还考虑了将特征A和B组合的实施方式(除非描述另有说明或特征A和B基本上是不兼容的)。即使参照不同的附图描述和/或在说明书的不同段落中描述和/或参考不同的示例实施方式或实现方式描述特征A和B，情况也是如此。
因此，所附权利要求和以下引入的权利要求旨在解释为包括可以合理推断的所有这样的修改、置换、添加、省略和子组合。权利要求的范围不应受到实施方式中阐述的优选实方式的限制，而应给出与整个说明书一致的最宽泛的解释。
Claims (39)
1.一种量子信息处理装置，包括：
主要由硅组成的半导体本体；
设置在所述半导体本体内的一个或更多个发光缺陷，其中：
包括在所述一个或更多个发光缺陷中的相应发光缺陷具有多个轨道状态，并且
所述多个轨道状态包括表示计算信息的成对的轨道状态；以及控制系统，其包括通信地耦接至所述半导体本体的电路，并且由处理器可执行指令配置成初始化所述一个或更多个发光缺陷。
2.根据权利要求1所述的装置，其中：
所述多个轨道状态还包括多个谷-轨道状态，其中，所述半导体本体将包括在所述多个轨道状态中的至少一个轨道状态分裂成所述多个谷-轨道状态；以及
表示计算信息的所述成对的轨道状态包括：
第一计算状态，其包括所述多个谷-轨道状态中包括的第一谷-轨道状态，以及
第二计算状态，其包括所述多个谷-轨道状态中包括的第二谷-轨道状态。
3.根据权利要求2所述的装置，其中：
所述多个轨道-谷状态还包括多个自旋-谷-轨道状态，其中，电子自旋或者电子自旋和核自旋将所述多个谷-轨道状态中包括的至少一个谷-轨道状态分裂成所述多个自旋-谷-轨道状态；
所述第一计算状态还包括所述多个自旋-谷-轨道状态中包括的第一自旋-谷-轨道状态；以及
所述第二计算状态还包括所述多个自旋-谷-轨道状态中包括的第二自旋-谷-轨道状态。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述控制系统包括输入子系统，所述输入子系统包括通信地耦接至所述半导体本体和所述一个或更多个发光缺陷的电路，所述控制系统由所述处理器可执行指令配置成操作所述输入子系统以操纵存储在表示计算信息的所述成对的轨道状态中的信息。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中，所述控制系统包括输入子系统，所述输入子系统包括通信地耦接至所述半导体本体和所述一个或更多个发光缺陷的电路，其中，所述控制子系统由所述处理器可执行指令配置成操作所述输入子系统以从表示计算信息的所述成对的轨道状态创建状态的线性组合。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，所述一个或更多个发光缺陷包括第一发光缺陷和第二发光缺陷，并且所述装置包括通信地耦接至所述第一发光缺陷和所述第二发光缺陷的耦合器，其中，所述控制系统被配置成控制所述耦合器以操作所述耦合器来耦合所述第一发光缺陷和所述第二发光缺陷。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述控制系统包括耦接至所述半导体本体的读出系统，其中，所述控制系统由所述处理器可执行指令配置成操作所述读出系统以读出设置在所述半导体本体内的所述一个或更多个发光缺陷的状态。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述半导体本体主要由天然硅组成。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，所述半导体本体主要由纯化硅组成。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述一个或更多个发光缺陷选自由间隙缺陷和空位缺陷组成的组。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，所述一个或更多个发光缺陷是取代缺陷。
12.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，设置在所述半导体本体内的所述一个或更多个发光缺陷包括一个或更多个损坏中心。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，包括光学地和通信地耦合至设置在所述半导体本体内的所述一个或更多个发光缺陷的通信信道。
14.一种信息处理系统，包括：
量子信息处理器，其包括：
主要由硅组成的半导体本体；
设置在所述半导体本体内的第一发光缺陷，其中，所述第一发光缺陷包括：
第一多个自旋-谷-轨道状态，其包括第一自旋-谷-轨道状态和第二自旋-谷-轨道状态；
控制子系统；
至少一个处理器，其通信地耦接至所述控制子系统；
至少一个有形计算机可读存储装置，其通信地耦接至所述至少一个处理器并且存储处理器可执行指令，所述处理器可执行指令当由所述至少一个处理器执行时，使所述至少一个处理器：
指示所述控制子系统将所述第一发光缺陷初始化为包括所述第一自旋-谷-轨道状态的第一计算状态。
15.根据权利要求14所述的系统，其中：
所述控制系统包括输入子系统，所述输入子系统包括通信地耦接至所述至少一个处理器的电路；以及
所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成使所述至少一个处理器指示所述输入子系统在所述第一发光缺陷处创建所述第一计算状态和第二计算状态的线性组合。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制系统包括：
输入子系统，其包括通信地耦接至所述半导体本体和所述一个或更多个发光缺陷的电路，并且其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成使所述至少一个处理器指示所述输入子系统操纵存储在所述第一发光缺陷中的信息。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成经由所述输入子系统施加与所述第一计算状态和所述第二计算状态之间的能量差接近谐振的输入信号。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的系统，其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成使所述至少一个处理器：
实现sigma-X运算，
实现sigma-Y运算，或
实现sigma-Z运算。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的系统，其中，所述第一发光缺陷包括多个自旋状态，所述多个自旋状态包括第一自旋状态和第二自旋状态，并且其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成经由所述输入子系统将所述第一计算状态和所述第二计算状态的所述第一线性组合映射为所述第一自旋状态和所述第二自旋状态的第二线性组合。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成指示所述输入子系统将所述第一自旋状态和所述第二自旋状态的所述第二线性组合操纵为所述第一自旋状态和所述第二自旋状态的第三线性组合。
21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成经由所述输入子系统将所述第一自旋状态和所述第二自旋状态的所述第三线性组合映射为所述第一计算状态和所述第二计算状态的第四线性组合。
22.根据权利要求19所述的系统，其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成经由所述输入子系统将所述第一自旋状态和所述第二自旋状态的所述第二线性组合映射为所述第一计算状态和所述第二计算状态的第四线性组合。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的系统，其中：
所述控制系统包括输出子系统，所述输出子系统包括通信地耦接至所述至少一个处理器的电路；以及
所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成指示所述输出子系统读出所述第一发光缺陷的状态。
24.根据权利要求14至23中任一项所述的系统，其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成测量来自所述第一发光缺陷的发射光子。
25.根据权利要求14至23中任一项所述的系统，其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成指示所述输出子系统将所述第一发光缺陷的状态映射到接近所述第一发光缺陷的辅助光子；以及
指示所述输出子系统测量所述辅助光子的状态。
26.根据权利要求14至18中任一项所述的系统，其中，所述第一发光缺陷包括多个自旋状态，所述多个自旋状态包括第一自旋状态和第二自旋状态，并且其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成经由所述输入子系统将所述第一计算状态和所述第二计算状态的所述第一线性组合映射成所述第一自旋状态和所述第二自旋状态的第二线性组合；以及
测量包括在所述多个自旋状态中的自旋状态。
27.根据权利要求14至26中任一项所述的系统，包括：
设置在所述半导体本体内的第二发光缺陷，其中，所述第二发光缺陷包括第二多个自旋-谷-轨道状态，所述第二多个自旋-谷-轨道状态包括第三自旋-谷-轨道状态和第四自旋-谷-轨道状态；以及
其中，第三计算状态包括所述第三自旋-谷-轨道状态，以及第四计算状态包括所述第四自旋-谷-轨道状态。
28.根据权利要求27所述的系统，其中：
所述第一计算状态在逻辑上等同于所述第三计算状态；以及
所述第二计算状态在逻辑上等同于所述第四计算状态。
29.根据权利要求27或28所述的系统，其中：
所述第一自旋-谷-轨道状态等于所述第三自旋-谷-轨道状态；以及
所述第二自旋-谷-轨道状态等于所述第四自旋-谷-轨道状态。
30.根据权利要求28所述的系统，包括：
耦合器，其接近所述第一发光缺陷和所述第二发光缺陷设置，并且通信地耦接至所述控制子系统；以及
其中，所述至少一个处理器由所述处理器可执行指令配置成指示所述控制子系统操作所述耦合器以耦合所述第一发光缺陷和所述第二发光缺陷。
31.根据权利要求14至30中任一项所述的系统，其中，所述第一发光缺陷选自由间隙缺陷、空位缺陷、取代缺陷和损坏中心组成的组。
32.一种基本上如本文所描述和所示出的量子信息处理器。
33.一种基本上如本文所描述和所示出的包括至少一个处理器和量子信息处理器的系统。
34.一种基本上如本文所描述和所示出的量子信息处理器的操作方法。
35.一种基本上如本文所描述和所示出的包括数字计算机和模拟计算机的系统的操作方法。
36.一种基本上如本文所描述和所示出的通信装置。
37.一种基本上如本文所描述和所示出的光子源。
38.具有如本文所描述的任何新的和创造性的特征、特征的组合或特征的子组合的装置。
39.具有如本文所描述的任何新的和创造性的步骤、动作、步骤和/或动作的组合或步骤和/或动作的子组合的方法。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201962883597P | 2019-08-06 | 2019-08-06 | |
| US62/883,597 | 2019-08-06 | ||
| PCT/CA2020/051078 WO2021022376A1 (en) | 2019-08-06 | 2020-08-06 | Systems, devices, articles, and methods to interact with information stored in orbital states associated with silicon defects |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114175058A true CN114175058A (zh) | 2022-03-11 |
Family
ID=74502450
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202080053672.2A Pending CN114175058A (zh) | 2019-08-06 | 2020-08-06 | 与存储在与硅缺陷相关联的轨道状态中的信息相互作用的系统、装置、物品和方法 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220366290A1 (zh) |
| EP (1) | EP3983963A4 (zh) |
| KR (1) | KR20220043190A (zh) |
| CN (1) | CN114175058A (zh) |
| CA (1) | CA3143661A1 (zh) |
| WO (1) | WO2021022376A1 (zh) |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115759267A (zh) | 2015-11-27 | 2023-03-07 | 光子公司 | 用于与自旋存储的量子信息交互的系统、装置及方法 |
-
2020
- 2020-08-06 KR KR1020227007265A patent/KR20220043190A/ko active Search and Examination
- 2020-08-06 WO PCT/CA2020/051078 patent/WO2021022376A1/en active Search and Examination
- 2020-08-06 EP EP20849049.0A patent/EP3983963A4/en active Pending
- 2020-08-06 US US17/596,681 patent/US20220366290A1/en active Pending
- 2020-08-06 CN CN202080053672.2A patent/CN114175058A/zh active Pending
- 2020-08-06 CA CA3143661A patent/CA3143661A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3983963A1 (en) | 2022-04-20 |
| EP3983963A4 (en) | 2023-07-05 |
| WO2021022376A1 (en) | 2021-02-11 |
| US20220366290A1 (en) | 2022-11-17 |
| CA3143661A1 (en) | 2021-02-11 |
| KR20220043190A (ko) | 2022-04-05 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bradac et al. | Quantum nanophotonics with group IV defects in diamond | |
| Schäfer et al. | Tools for quantum simulation with ultracold atoms in optical lattices | |
| CN108604316B (zh) | 用于与自旋存储的量子信息交互的系统、装置及方法 | |
| Montblanch et al. | Layered materials as a platform for quantum technologies | |
| Hanson et al. | Coherent manipulation of single spins in semiconductors | |
| Murdin et al. | Si: P as a laboratory analogue for hydrogen on high magnetic field white dwarf stars | |
| Huang et al. | Trends in quantum nanophotonics | |
| Madsen et al. | Quantitative analysis of quantum dot dynamics and emission spectra in cavity quantum electrodynamics | |
| US20220327416A1 (en) | Systems, devices, articles, and methods to interact with information stored in bound-exciton states associated with luminescent silicon defects | |
| CN114175058A (zh) | 与存储在与硅缺陷相关联的轨道状态中的信息相互作用的系统、装置、物品和方法 | |
| WO2003075220A2 (en) | A gate for information processing | |
| US20210142203A1 (en) | Systems, devices, articles and methods including luminescent local defects in semiconductors with local information states | |
| US20220382082A1 (en) | Systems, devices, articles, and methods to direct optical signals using luminescent defects in semiconductor material | |
| Mello | Engineering Quantum Optical Phenomena with Near-Zero Index Metamaterials | |
| Becker | Silicon vacancy colour centres in diamond: coherence properties & quantum control | |
| Schoenfield | Coherent Control and Spectroscopy of Valley States of Individual Electrons in Silicon Quantum Dots | |
| Shandilya | Optomechanical Spin-Photon Interface in Wide-Bandgap Materials | |
| Bader et al. | Analysis, recent challenges and capabilities of spin-photon interfaces in Silicon carbide-on-insulator | |
| Foell III | Luminescent properties of Pb-based (PbX) colloidal quantum dots (CQDs) in vacuum, on silicon and integrated with a silicon-on-insulator (SOI) photonic integrated circuit (PIC) | |
| Buchleitner | Quantum Optics and Photonics Division Fachverband Quantenoptik und Photonik (Q) | |
| Hagemeier | Photonic Crystal Microcavities for Quantum Information Science | |
| Price et al. | Momentum-space Landau levels in arrays of coupled ring resonators | |
| Lunch | European Conference on Trapped Ions (ECTI) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |