KR20060088797A - Spin qubit-based quantum computing logic gate - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트에 관한 것으로, 이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제조방법은 SOI(SOI: Silicon On Insulator)기판의 위층실리콘층(top-Si)에 소오스, 드레인을 연결하는 수십 나노미터이하 선폭 및 길이의 이 중양자점이 형성될 전도채널 및 이와 수직방향인 다중 측면게이트들을 동일평면상 또는 게이트 산화막위에 이격거리 수십 나노미터이하로 형성하는 단계와, 이중양자점을 제외한 나머지 부분을 도핑하는 단계, 이후 게이트 산화막을 형성하거나 제안된 구조에 대응한 층간절연막을 형성하는 단계, 전도채널에 이차원 전자개스층을 유발하는 제어게이트를 형성하는 단계 및 통상적인 금속화 공정을 포함하여 이루어진 것이다. 이러한 구조 및 제조방법을 통해서 완성된 소자의 핵심적인 동작에 있어서의 특징은 자기장 혹은 전기장 펄스하의 두 개의 커플링된 이중양자점내 2개전자의 스핀으로 구성된 시스템 내부 전자들의 스핀 기저상태 및 들뜬 스핀 고유상태간의 뒤얽힘(Entanglement)현상 및 스핀 Singlet-Triplet 천이현상을 이용하여 원하는 바, 양자전산을 수행할 수 있도록 고안된 소자이다.
SOI, 단전자 트랜지스터, 양자점, 양자전산, Spin, Spintronics, Qubit, Quantum Gate, Quantum Computation, Nano Device
The present invention relates to a spin qubit quantum computational logic gate, and a method of manufacturing the present invention for achieving the above object is to connect a source and a drain to a top-Si layer of a silicon on insulator (SOI) substrate. Forming a conducting channel and a plurality of side gates perpendicular to the conductive channel in which the double quantum dots of a line width and length of which are several tens of nanometers or less are formed on the same plane or on the gate oxide layer at several tens of nanometers or less, and remaining portions other than the double quantum dots. Doping, followed by forming a gate oxide film or forming an interlayer insulating film corresponding to the proposed structure, forming a control gate inducing a two-dimensional electron gas layer in the conductive channel, and a conventional metallization process. will be. The key operation of the device, completed through this structure and fabrication method, is characterized by the spin ground state and excited spin intrinsic of the electrons in the system consisting of the spin of two electrons in two coupled double quantum points under magnetic or electric field pulses. It is a device designed to perform quantum computation as desired using entanglement between states and singlet-triplet transition.
SOI, single electron transistor, quantum dot, quantum computing, Spin, Spintronics, Qubit, Quantum Gate, Quantum Computation, Nano Device
Description
도 1은 본 발명에 의한 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트(구조1)를 나타내 보인 사시도이고,1 is a perspective view showing a spin qubit quantum computational logic gate (structure 1) according to the present invention,
도 2는 본 발명에 의한(구조1)의 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트 실리콘 나노소자의 전도채널 형성 및 측면게이트들 형성 후 게이트 산화막이 형성된 사시도 이고,2 is a perspective view of a gate oxide film formed after formation of conductive channels and side gates of a spin qubit quantum logic gate silicon nano device according to the present invention (structure 1),
도 3은 본 발명에 의한 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트의 (구조2)를 나타내 보인 사시도,3 is a perspective view showing (Structure 2) of a spin qubit quantum logic gate according to the present invention;
도 4는 본 발명에 의한(구조2)의 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트 실리콘 나노소자의 전도채널 및 측면게이트의 형성 후 게이트 산화막이 적층된 사시도이고,4 is a perspective view of a gate oxide film stacked after formation of conductive channels and side gates of the spin qubit quantum logic gate silicon nano device according to the present invention (structure 2),
도 5는 본 발명에 의한(구조2)의 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트 실리콘 나노소자의 게이트 산화막위로 전도채널을 가로지르는 측면게이트들의 형성이 완료된후의 사시도이다.5 is a perspective view after the formation of side gates across the conduction channel on the gate oxide film of the spin qubit quantum logic gate silicon nanodevice of the present invention (structure 2) is completed.
도 6은 본 발명에 의한 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트 실리콘 나노소자의 핵심이 되는 이중양자점을 개념적으로 나타낸 그림이다,6 is a conceptual diagram illustrating a double quantum dot that is the core of a spin qubit quantum logic gate silicon nano device according to the present invention.
도 7은 이중양자점내 2개전자 파동함수의 스핀 part가 singlet일 경우 이에 대응되는 orbital part가 odd가되는 전하분포를 개념적으로 나타낸 그림이다.7 is a conceptual diagram illustrating a charge distribution in which an orbital part becomes odd when a spin part of two electron wave functions in a double quantum point is singlet.
도 8은 이중양자점내 2개전자 파동함수의 스핀 part가 triplet일 경우 이에 대응되는 orbital part가 even이되는 전하분포를 개념적으로 나타낸 그림이다.8 is a conceptual diagram illustrating a charge distribution in which a corresponding orbital part is even when a spin part of two electron wave functions in a double quantum point is triplet.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
1: 실리콘 기판1: silicon substrate
2: 실리콘 산화막2: silicon oxide film
3: 소오스3: source
4: 드레인4: drain
5: 전도채널5: conduction channel
6: 측면게이트16:
7: 측면게이트3(제어게이트, 구조1)7: Side gate 3 (control gate, structure 1)
8: 측면게이트48:
9: 측면게이트2(프로브게이트, 구조1)9: side gate 2 (probe gate, structure 1)
10: 제어게이트10: control gate
11: 양자점111:
12: 양자점212: QD2
13: 게이트 산화막13: gate oxide
14: 측면게이트514:
15: 측면게이트6(제어게이트, 구조2)15: Side gate 6 (control gate, structure 2)
16: 측면게이트716:
17: 측면게이트8(프로브게이트, 구조2)17: Side gate 8 (probe gate, structure 2)
18: 층간절연막18: interlayer insulating film
양자전산(Quantum computation)이란 양자역학계의 본질적 특징인 불확정성, 중첩, 뒤얽힘(entanglement), 간섭 등을 이용, 현재까지의 고전적인 논리 게이트들과는 근본적으로 상이한 양자적인 방식으로 정보를 처리하는 일련의 기술을 의미한다.Quantum computation is a set of techniques that process information in a quantum way that is fundamentally different from classical logic gates to date, using uncertainty, overlap, entanglement, and interference, which are intrinsic features of quantum mechanics. Means.
이는 반도체 소자의 크기가 점점 극소화됨에 따라 미시계(微時界)에서 새로이 나타나는 상기의 양자적 특성들을 이용하여 도청이 전혀 불가능한 정보전달이라든지, 고전적인 컴퓨터, 즉 현재 범용되어지고 있는 고전적인 컴퓨터로의 전산능력으로는 도저히 풀 수 없었던 다중비트의 소인수 분해문제를 해결하는등 완전히 새로운 정보처리기술의 지평을 열 수 있다는 것을 의미한다.As the size of a semiconductor device becomes smaller and smaller, it is possible to transfer information that is impossible to eavesdropping to, or to a classic computer, that is, a general-purpose computer. This means that we can open up a whole new horizon of information processing technology, such as solving the problem of multi-factor prime factorization that could not be solved by the computational capability of.
현재 우리가 사용하고 있는 컴퓨터들의 동작의 기초로서는, 그 수학적 이상모델인 튜링기계(Turing machine)로 기술할 수 있는데(A. Turing, Proc. Lond. Math. Soc. 42, 230 (1937)) 여기서 행해지는 연산은 모두 비가역적이다. 비가역적인 연산은 필연적으로 열을 발생시킨다. 이에 대응한 양자전산의 이론적 시초는 베네트(C.H. Bennett, IBM J. Res. Dev. 6, 525)가 1973년 비가역적인 튜링기계와 동일한 연산을 수행할 수 있는 가역적 튜링기계를 제안한 뒤, 베니오프(Benioff)가 시간가역성을 가지고 있는 양자계로 가역적 연산을 할 수 있음을 지적하였고, 리처드 파인만은 1982년 처음으로 양자컴퓨터의 개념을 도입하였다. 이후 구체적인 양자튜링기계 모델은 3년 후 덧취(Deutsch)에 의해 제안되었다. 그러나 양자전산이 결정적인 관심을 끌게 된 계기가 된 것은 1994년 벨연구소의 쇼(Shor)가 발표한 소인수분해 풀이법과 1997년의 핵자기공명에 의한 양자컴퓨터의 실제 구현이었다. 이 소인수분해 풀이법은 3년 후 같은 연구소의 그루버(Grover)에 의해 발표된 데이터 검색풀이법과 함께 전 세계에서 쓰이고 있는 현대암호를 모두 깰 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 이러한 쇼의 알고리즘과 버금가는 그루버의 데이터 검색풀이법은 N개의 데이터에서 1개를 찾아내는데 기존의 컴퓨터가 N/2번 정도의 연산을 요구하는데 반해 (N)1/2번 정도에 가능하다. 예를 들어 56비트로 되어있는 암호열쇠를 어렵게 소인수분해하지 않고 무작위로 찾아낸다고 하면 컴퓨터의 연산속도가 1 MIPS라고 할 때 기존의 컴퓨터로는 약 1000년이 걸리지만 양자컴퓨터로는 약 4분이 걸린다. 현재까지 대표적으로 연구되고 있는 방식으로는 핵자기공명을 이용한 핵자기공명 양자컴퓨터로서, 상대적으로 결맞춤(coherence) 시간이 길고, 이미 온갖 실험기법이 개발되어 있다. 하지만 고집적(scalability)이 불가능하다는 치명적인 결함을 가지고 있다. 최근 들어 양자점(quantum dot), 공진기 양자전기역학(cavity QED), 조셉슨 소자 등을 이용한 방법 등이 제안되고 있다.As the basis of the operation of the computers we are using, we can describe it as Turing machine, which is a mathematical ideal model (A. Turing, Proc. Lond. Math. Soc. 42, 230 (1937)) All operations performed are irreversible. An irreversible operation inevitably generates heat. The theoretical beginning of quantum computation was Beneoff (CH Bennett, IBM J. Res. Dev. 6, 525), who proposed a reversible Turing machine capable of performing the same operation as an irreversible Turing machine in 1973. Benioff pointed out that reversible computation can be done with quantum systems that are time-reversible, and Richard Pineman introduced the concept of quantum computers for the first time in 1982. Since then, a specific quantum turing machine model was proposed by Deutsch three years later. But quantum computing became the decisive factor in the 1994 implementation of the prime factorization method, published by Bell's Sho in 1994, and the 1997 implementation of quantum computers by nuclear magnetic resonance. The prime factorization method has the potential to break all modern ciphers in use around the world, along with data retrieval solutions published by Grover of the same institute three years later. Similar to the show's algorithm, Gruber's data retrieval method finds one from N data, which can be done in ( N ) 1/2 times as opposed to a conventional computer requiring N / 2 computations. For example, if you find a 56-bit cryptographic key randomly without difficult factorization, it takes about 1000 years for a conventional computer but about 4 minutes for a quantum computer. Representative studies to date are nuclear magnetic resonance quantum computers using nuclear magnetic resonance, which has a relatively long coherence time and all kinds of experimental techniques have been developed. However, it has a fatal flaw that scalability is impossible. Recently, methods using quantum dots, resonator cavities QED, Josephson devices, and the like have been proposed.
이에 대해 본 출원이 의도하는 발명이 속하는 기술은 커플링된 이중양자점내 2개전자의 스핀을 이용, 양자연산에 있어서의 범용게이트구현에 필수적인 단일 양 자비트 연산자와 더불어 조건부 NOT 이중양자비트 구현에 필수적인 구조 및 제작 방법을 제시하는데 있다. 또한 양자게이트의 구현에 있어서, 현재 범용되어지고 있는 CMOS 기술을 사용함으로써 지금까지 고안된 핵자기공명법이라든가 여타의 방법에 비해 기존 생산 공정의 획기적 변화 없이도 고집적 대량생산이 가능한 방법을 제시하고 있다.To this end, the technology to which the present invention is intended is based on the spin of two electrons in a coupled double quantum dot to implement a conditional NOT double quantum bit as well as a single quantum bit operator which is essential for general purpose gate implementation in quantum operation. To present the necessary structure and manufacturing method. In addition, the implementation of quantum gate is proposed a method capable of high-integrated mass production without the drastic change of the existing production process compared to the nuclear magnetic resonance method or other methods designed so far by using CMOS technology that is widely used today.
본 발명은 상기와 같은 기술적 요구에 대응하고 대용량, 고속 양자병렬처리, 고집적의 스핀 큐빗 양자전산 게이트를 개발하기 위해서는 다음과 같은 기술적 성취가 필수적이다. 첫째, 소자의 핵심부분인 이중양자점의 형성에 관여하는 다중 측면게이트들을 포함한 전도채널의 전체길이는 전자의 스핀 결맞음 유지길이(Spin Coherence Length)가 수십 나노미터라 할 때, 이보다 작게 형성 되어야 하는 구속조건에 의거, 전자빔 리소그래피법을 적용할 경우 해당 패터닝지점의 전자빔과 기판간의 상호작용에 기인한 근접효과를 극소화 할 수 있는 패터닝방식 및 현상기술의 개발과, 둘째 원하는바 인가된 제어게이트 및 측면게이트들의 조합으로 적절히 커플링된 이중양자점내의 2개전자 파동함수의 자기장변화에 따른 전하분포(기저상태 및 들뜬상태)의 변이를 감지할 수 있는 구조 및 개념개발이 필수적이며, 마지막으로 전도채널에 국소적으로 형성될 양자점들을 제외한 나머지 다중 측면게이트 및 소오스, 드레인만을 선택적으로 도핑하는데 적합한 매개변수 및 공정이 필수적으로 요구되어진다.According to the present invention, the following technical achievements are essential for the development of a large capacity, high-speed quantum parallel processing, and a highly integrated spin qubit quantum gate. First, the overall length of the conduction channel, including the multiple side gates involved in the formation of the double quantum dot, the core of the device, should be made smaller than that when the spin coherence length of the electron is tens of nanometers. Based on the conditions, when applying the electron beam lithography method, the development of patterning method and development technique that can minimize the proximity effect caused by the interaction between the electron beam and the substrate at the patterning point, and secondly, the applied control gate and side gate It is essential to develop a structure and concept that can detect the variation of charge distribution (base state and excited state) according to the change of magnetic field of two electron wave functions in a properly coupled double quantum point. Selectively doping only the multiple side gates, sources, and drains except quantum dots to be formed Appropriate parameters and processes are essential for this.
본 발명의 스핀 큐빗 양자전산 게이트는 SOI기판 위에 형성되며 본 소자의 구체적인 구조 및 소자의 핵심기능에 있어서는 동일하나, 공정상 측면게이트들의 위치 및 형태 그리고 생성 기판의 차이를 구별할 필요성에 따라 두 가지 방식(구조1 및 구조2)으로 나누어 기술하는 바이다.The spin qubit quantum computational gate of the present invention is formed on the SOI substrate and is the same in the specific structure and core function of the device, but according to the process, the position and form of the side gates and the necessity to distinguish the difference between the substrates The description is divided into schemes (
구조1:Structure 1:
기저가 되는 실리콘 기판(1)상단 실리콘 이중산화막(2) 위의 위층 실리콘 층에 소오스(3) 및 드레인(4)이 각각 수십 나노미터이하의 길이 및 선폭의 전도채널(5)로 연결되어 있으며, 동일 평면상에 전도채널과 수직방향으로 측면게이트1과(6) 측면게이트4(8) 및 측면게이트3(7)에 인가된 음의 전기적 척력으로 전도채널에 이중양자점(11, 12)이 형성되어지며, 이후 통상적인 방법으로 게이트 산화막을 형성한 후, 마지막으로 전도채널에 이차원 전자개스층의 유발 및 제어를 담당하는 제어게이트(10)가 형성되면, 본 발명의 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트의 완성이 이루어진다.A
구조2:Structure 2:
기저가 되는 실리콘 기판(1)상단 실리콘 이중산화막(2) 위의 위층 실리콘 층에 소오스(3) 및 드레인(4)이 각각 수십 나노미터이하의 길이 및 선폭의 전도채널(5)로 연결되어 있으며, 동일 평면상에 전도채널과 수직방향으로 측면게이트8(17)이 수십 나노미터이하로 이격되어 있으며, 이후 게이트 산화막을 형성한 다음, 도핑된 폴리실리콘층을 적층한 후 전자빔 리소그래피법 및 반응성 이온식각으로 측면게이트5(14), 측면게이트6(15), 측면게이트7(16)을 형성한다, 이후 통상적인 방법 의 층간절연막을 형성한 후, 마지막으로 전도채널에 이차원 전자개스층의 유발 및 제어를 담당하는 제어게이트(10)가 형성되면, 본 발명의 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트의 완성이 이루어진다.A
본 발명의 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 구조1과 구조2로 나누어 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.Referring to the accompanying drawings, a method for manufacturing a spin qubit quantum computational logic gate according to the present invention will be described in more detail below.
구조1:Structure 1:
SOI 기판에서 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트 제작시 사용되는 부분은 적절한 두께의 위층실리콘으로서,The part of the SOI substrate used for fabricating the spin qubit quantum logic gate is a silicon of appropriate thickness.
먼저 통상적인 align-key 공정을 진행한 후, 전자선 직접 묘화(electron-beam direct writing)법으로 소오스(3), 드레인(4) 및 수 내지 수십 나노 넓이의 전도채널(5)에 대해 수십 나노 간격, 수직방향의 측면게이트1(6), 측면게이트2(9), 측면게이트3(7), 측면게이트4(8)를 전자빔 리소그래피법으로 패터닝한 후,First, a conventional align-key process is performed, followed by tens of nanometer intervals for the source (3), the drain (4) and the conduction channel (5) of several to several tens of nanoscales by electron-beam direct writing. After patterning the side gates 1 (6), side gates 2 (9), side gates 3 (7), and side gates 4 (8) in the vertical direction by electron beam lithography,
반응성 이온 식각(RIE: Reactive Ion Etching)을 이용해 나머지 위층실리콘을 모두 제거한다.Reactive Ion Etching (RIE) is used to remove all remaining upper silicon.
이후 이중양자점(11, 12)이 형성되어지는 전도채널 중앙부분을 제외한 나머지 위층 실리콘층을 도핑하기위해 네거티브 레지스트, 또는 기타 가능한 여러 방법으로 전도채널 중앙부분을 패터닝 및 현상하여 도핑마스크로 사용, 적절한 매개 변수에 의한 도핑공정을 실시한다,Afterwards, the doping mask is patterned and developed using a negative resist or other possible methods to dope the remaining silicon layer except the center of the conductive channel where the
이후 적절한 두께 수 나노미터의 게이트 산화막공정을 실시한다, (도2)Thereafter, a gate oxide film process of an appropriate thickness of several nanometers is performed (FIG. 2).
상기공정 후 제어게이트(10)를 통상적인 포토리소그래피법을 적용, 2개의 양 자점을 덮을 만큼의 적절한 크기로 패터닝한 후, 기타 적절한 방법에 의한 식각공정 및 금속화 공정을 실시한다,After the process, the
이후 통상적 CMOS공정이 이루어지면 본 출원의 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트의 완성이 이루어진다.(도1)After the conventional CMOS process is completed, the spin qubit quantum computational logic gate of the present application is completed (Fig. 1).
구조2:Structure 2:
SOI 기판에서 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트 제작시 사용되는 부분은 적절한 두께의 위층실리콘으로서,The part of the SOI substrate used for fabricating the spin qubit quantum logic gate is a silicon of appropriate thickness.
먼저 통상적인 align-key 공정을 진행한 후, 전자선 직접 묘화(electron-beam direct writing)법으로 소오스(3), 드레인(4) 및 수 내지 수십 나노 넓이의 전도채널(5)에 대해 수직방향으로 수십 나노미터 이격된 측면게이트8(17)을 전자빔리소그래피법으로 패터닝한 후,First, a conventional align-key process is performed, and then, in the vertical direction with respect to the source (3), the drain (4) and the conduction channel (5) of several to several tens of nanometers in width by electron-beam direct writing. After patterning the side gates 8 (17) spaced several tens of nanometers by electron beam lithography,
반응성 이온 식각을 이용해 나머지 위층실리콘을 모두 제거한다.Reactive ion etching is used to remove all remaining upper silicon.
이후 양자점(11, 12)이 형성되어지는 전도채널 중앙부분을 제외한 나머지 위층실리콘층을 도핑하기위해 네거티브 레지스트, 또는 기타 가능한 모든 방법으로 전도채널중앙부분을 적절한 매개변수에 의한 패터닝 및 현상하여 도핑마스크로 사용, 도핑공정을 실시한다,The doping mask is then patterned and developed by appropriate parameters in the center of the conducting channel with a negative resist or all other possible methods to dope the remaining silicon layer except the center of the conducting channel where the
이후 적절한 두께 수 나노미터의 게이트 산화막 적층공정을 실시한다,(도4)After that, a gate oxide film stacking process of an appropriate thickness of several nanometers is performed (FIG. 4).
상기공정 후 도핑된 폴리실리콘 층을 적층한 다음, 측면게이트5(14), 6(15), 7(16)을 전자빔리소그래피법을 이용, 전도채널을 가로질러 패터닝한 후, 비등방 반응성이온 식각을 실시한다. (도5)After the above process, the doped polysilicon layer was laminated, and then the side gates 5 (14), 6 (15), and 7 (16) were patterned across the conduction channel using electron beam lithography, and then anisotropic reactive ion etching was performed. Conduct. (Figure 5)
이후 층간절연막을 형성한 다음,After the interlayer insulating film is formed,
제어게이트(10)를 통상적인 포토리소그래피법을 적용, 2개의 양자점을 덮을 만큼의 적절한 크기로 패터닝한 후, 기타 적절한 방법에 의한 식각공정 및 금속화 공정을 실시한다,The
이후 통상적 CMOS공정이 이루어지면 본 출원의 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트의 완성이 이루어진다.(도3)After the conventional CMOS process is completed, the spin qubit quantum computational logic gate of the present application is completed (Fig. 3).
위의 공정에 의해 완성되어진 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트의 작동방식은 다음과 같다.The operation method of the spin qubit quantum logic gate completed by the above process is as follows.
먼저, 상기 기술된 구조1의 측면게이트1(6)과 측면게이트4(8) 및 측면게이트3(7) 또는 구조2의 측면게이트5(14), 측면게이트6(15), 측면게이트7(16)(구조2)에 계산되어진 적절한 음의 전압을 인가, 각각 터널접합 및 적절한 크기로 커플링된 2개의 양자점(11, 12)을 형성시킬 초기조건을 만든다. 이후 제어게이트(10)에 양의 전압을 걸어 2차원전자 개스층을 전도채널에 유발시킨 후, 제어게이트(10)전압을 적절히 스캔해 이중양자점내 전자의 개수가 양자점당 각각 1개씩 총 2개의 전자가 놓이도록 한다. 이에 본 고안된 소자의 구조상 장점은 측면게이트3(7) 혹은 측면게이트6(15)에 적절한 음의 전압을 인가하여 이중양자점간 커플링 상수를 조절 할 수 있다는 점이다.First, the side gate 1 (6) and the side gate 4 (8) and the side gate 3 (7) of the
상기 초기조건을 구성한 후 제어게이트의 전압을 2번째 쿨롱봉쇄구역에 고정, 이중양자점내 전자의 개수를 2개로 한정시킨 다음, 외부 자기장을 변화시키면 양자점내 2개전자의 커플링된 이중파동함수중 spin part는 자기장의 변화에 따라 반응을 하게 된다. 그러나 이 전자의 스핀부분의 변화는 감지하기기 매우 어려우므로 현재 광학적인 측정만이 보고되고 있다. 이에 대해 본 출원된 소자는 커플링된 이중양자점내의 2개전자 파동함수의 전체적인 특성이 파울리의 배타원리에 의거, 각각의 전자의 spin part와 orbital part의 곱이 반대칭(anti-symmetric)이라는 점에 착안, 만일 이중양자점내 2개전자의 스핀뒤얽힘(spin-entanglement)상태가 singlet일 경우 파동함수의 orbital part는 odd의 특성을 보여 전자의 전하분포는 2개의 전자가 각각의 양자점에 1개씩으로 분리되며 중앙부분의 노드(node)를 보인다(도면7). 한편 스핀의 뒤얽힘상태가 triplet일 경우 파동함수의 orbital part는 even의 특성을 보여 전자의 전하분포는 이중양자점의 중앙부분에 분포하게 된다(도면8). 이러한 물리적 현상에 근거 양자점내 2개전자 파동함수의 자기장 변화에 기인된 even과 odd의 전하분포차이는 근접한 측면게이트2(9)(구조1, 도1) 또는 측면게이트8(17)(구조2, 도3)에 전압변화를 유발한다. 이를 기존에 개발된 RF-SET 또는 QPC를 이용하여 감지, 이중양자점내 2개전자의 스핀 고유상태를 간접적으로 판별할 수 있게 된다. 이후 외부자기장 BEX(External Magnetic Field)을 스캔하는 과정에서 프로브(probe)역활을 하는 측면게이트2, 측면게이트8에 전압의 급격한 변화가 일어나는 지점의 외부자기장이 바로 양자점내 2개전자의 singlet-triplet transition이 일어나는 천이자기장BT(Transition Magnetic Field)에 해당한다. 이제 외부자기장 BEX를 BT에 고정시킨 다음, ESR(Electron Spin Resonance)법 및 기타 가능한 방법으로 BT 부근에서 진동수 f의 국소자기장펄스를 양자점에 수직으로 가해주거나 혹은 측면제어게이트3(7)(구조1, 도1), 측면게이트6(15)(구조2, 도3)에 천이점에 해당하는 크기를 갖는 전기장펄스를 가해주면 양자점내 2개전자의 스핀 뒤얽힘상태의 스핀 singlet-triplet간 에너지 공명이 발생하여 두 개의 준위간에 주기적인 진동이 발생한다(Rabi 진동). 이러한 진동은 측면게이트2(9)(프로브역활, 구조1)및 측면게이트8(17)(프로브역활, 구조2)에 의하여 각각 측정이 가능하다.After configuring the initial conditions, the voltage of the control gate is fixed in the second coulomb containment zone, the number of electrons in the double quantum dot is limited to two, and if the external magnetic field is changed, spin in the coupled double wave function of two electrons in the quantum dot The part responds to changes in the magnetic field. However, changes in the spin portion of these electrons are very difficult to detect, so only optical measurements are currently reported. In contrast, the device of the present application is that the overall characteristic of the two-electron wavefunction in the coupled double quantum point is based on Pauli's exclusion principle, and the product of the spin part and the orbital part of each electron is anti-symmetric. Note that if the spin-entanglement state of two electrons in a double quantum dot is singlet, the orbital part of the wave function exhibits odds, so the charge distribution of the electrons is two electrons, one for each quantum dot. It is separated and shows a node in the center (Fig. 7). On the other hand, when the intertwined state of the spin is triplet, the orbital part of the wave function exhibits even characteristics, so that the charge distribution of electrons is distributed in the central part of the double quantum point (Fig. 8). Based on these physical phenomena, the difference in the charge distribution between even and odd due to the change of the magnetic field of the two-electron wave function in the quantum dot is determined by the adjacent side gate 2 (9) (
본 발명의 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트가 완성되어짐으로써 기대 되는 효과는 첫째, 제조방식에 있어, 통상적인 CMOS공정에 준하기 때문에 양자게이트 소자의 대규모 집적화가 용이하게 될 뿐 만 아니라 둘째, 양자컴퓨터의 연산방식에 있어 양자점을 이용한 양자게이트 연산의 대표적인 방식중 하나인 spin qubit을 구현할 수 있게 된다. 셋째, 필요에 따른 다중측면게이트들의 수를 늘려 적절한 배치에 대한 유연성 및 확장성으로 인한 다중양자비트 연산이 한층 수월해질 수 있다. 따라서 이를 바탕으로 쇼의 알고리즘에 의한 소인수 분해능력 및 구루버법에 의한 데이터 검색능력의 확장이 여타의 고전적 연산구조에 비해 비교할 수 없을 만큼 특출한 능력을 갖게 된다. 아울러 이에 파생되어지는 각종 정보전달시 발생될 수 있는 보안문제의 근본적인 해결 및 다중비트 암호 분해 능력 때문에 이미 국가안보차원에서 선진국에서 대거 연구 되고 있는 실정이다. 따라서 본 스핀 큐빗 양자전산 로직게이트의 실질적 구현은 발명의 효과의 차원을 넘어 국가안보의 기로가 될 수 있다고 할 만큼 실질적 중요성을 갖는다.The effect expected by the completion of the spin qubit quantum computational logic gate of the present invention is, firstly, in the manufacturing method, following the conventional CMOS process, not only to facilitate the large-scale integration of the quantum gate device, In the operation method, spin qubit, which is one of the representative methods of quantum gate operation using quantum dots, can be implemented. Third, multi-quantum bit operation may be further facilitated by increasing the number of multi-side gates as necessary and having flexibility and scalability for proper placement. Therefore, based on this, the expansion of prime factorization by Shaw's algorithm and data retrieval by Guru's method is incomparably superior to other classical computational structures. In addition, due to the fundamental solution of the security problems that can occur during the transmission of various information derived from this and the ability of multi-bit cryptography, there are many studies in advanced countries in terms of national security. Therefore, the actual implementation of this spin qubit quantum computational logic gate is of such substantial importance that it can be a crossroad of national security beyond the effect of the invention.
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