TWI713194B - 與儲存於自旋子之量子資訊相互作用之系統、裝置及方法 - Google Patents

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史蒂芬尼 賽門斯
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Abstract

一種量子資訊處理裝置包含一半導體基板。一光學共振器耦合至該基板。該光學共振器支援具有一第一共振器頻率之一第一光子模態。該量子資訊處理裝置包含安置在該半導體基板內且光學耦合至該光學共振器之一非氣態硫族元素施體原子。該施體原子具有與該共振器頻率共振之一躍遷頻率。本文中亦揭示在量子資訊處理中具有實際應用之系統、裝置、物件及方法，該量子資訊處理包含光學耦合至一光學結構之一矽基板中之一或多個深雜質或與該一或多個深雜質相關聯。

Description

與儲存於自旋子之量子資訊相互作用之系統、裝置及方法
本發明一般而言係關於量子計算及量子資訊之領域。
量子裝置係其中量子機械效應係顯著的及/或佔支配地位之製造品或結構。量子裝置(諸如超導電路及自旋電子電路)包含其中藉由量子機構支配電流輸送之電路。超導電路使用量子物理學現象，諸如穿隧及通量量子化。自旋電子電路使用自旋(例如電子自旋)之物理性質作為一資源來接收、處理、儲存、發送或輸出資訊。量子裝置可用於量測儀器、用於計算機器中等等。計算機器之實例包含古典電腦及量子電腦之組件。 用於實施一量子電腦之一所提議技術闡述其中資訊編碼於放置在一矽基板中之施體原子(具體而言，磷-31)之核自旋子中的一電子裝置。該等施體原子放置在一淺深度(例如，20奈米)處且在矽基板中以一個晶體單元胞之一精確度精確地間隔開(例如，以大約20奈米)。使用在外部施加之電磁場執行對個別自旋子之邏輯或計算操作，且使用自旋相依電荷轉移進行自旋量測，且使用高度靈敏靜電計偵測自旋量測。已完全實現所提議技術。
一種實施一量子電腦之技術涉及一量子資訊處理裝置。該量子資訊處理裝置包含一半導體基板。深雜質(例如非氣態硫族元素施體原子)安置在該半導體基板內。該等深雜質(例如非氣態硫族元素施體原子)中之每一者由對應於該深雜質之不同電子或核自旋狀態且表示量子位元資訊之複數個量子狀態表徵。該量子資訊處理裝置進一步包含具有具一第一共振器頻率之一第一光子模態及表示共振器資訊之一光學狀態的一第一光學共振器。該第一光學共振器光學耦合該量子位元資訊與該共振器資訊。 一種操作方法用於一量子資訊處理器。該量子資訊處理器包含耦合至一半導體基板之一光學結構。複數個深雜質安置於該半導體基板中。該等深雜質中之每一者由對應於施體原子之不同電子及核自旋狀態之複數個量子狀態表徵，資訊由該深雜質(例如，施體原子)之該等量子狀態表示。該方法包含：將該複數個深雜質中之一第一深雜質初始化至一第一基準狀態；及將該複數個深雜質中之一第二深雜質初始化至該第一基準狀態。該方法進一步涉及：致使接近於第一施體原子及第二施體原子之一光學共振器與該第一施體原子及該第二施體原子共振；及將該光學共振器之一光學狀態量測為由該第一施體原子及該第二施體原子之該等量子狀態表示之該資訊之一度量。 另一操作方法用於包含植入於一半導體基板中之一施體原子之一量子資訊處理器。該方法包含：將該施體原子初始化於一基準狀態中且將一脈衝磁場施加至第一施體原子以改變狀態；致使接近於該施體原子之一光學共振器與該施體原子共振；及量測一光子在該光學共振器中之一存在或不存在。 另一操作方法用於包含安置於一半導體基板中之一非氣態硫族元素施體原子之一量子資訊處理器。該非氣態硫族元素施體原子表徵為具有表示資訊之一或多個不同量子狀態。在一項態樣中，該方法包含：在光學耦合至該非氣態硫族元素施體原子之一光學共振器處接收具有一第一量子狀態之一光子；及對應於該光學共振器處之該第一量子狀態而形成該非氣態硫族元素施體原子中之一第二量子狀態。 在另一態樣中，該方法包含：形成該半導體基板中之該非氣態硫族元素施體原子中之一第一量子狀態；及將該非氣態硫族元素施體原子光學耦合至一光學共振器。該方法亦包含：在一光學共振器處形成具有一第二量子狀態之一光子，該第二量子狀態對應於該非氣態硫族元素施體原子中之該第一量子狀態。 本文中實質上闡述及圖解說明一種包含一數位電腦及一類比電腦之系統。 本文中實質上闡述及圖解說明一種包含一量子資訊處理器之系統。該量子資訊處理器包含一半導體基板、植入於該基板中之一第一非氣態施體原子、植入於該基板中之一第二非氣態施體原子及界定於該基板中之一光學結構，且本文中實質上以其他方式闡述及圖解說明。 本文中實質上闡述及圖解說明一種量子資訊處理器。 本文中實質上闡述及圖解說明一種量子資訊儲存裝置。 本文中實質上闡述及圖解說明一種用於包含一數位電腦及一類比電腦之一系統之操作方法。 本文中實質上闡述及圖解說明一種用於一量子資訊處理器之操作方法。
相關申請案之交叉參考 本申請案係2015年11月27日提出申請之標題為「與儲存於自旋子之量子資訊相互作用之系統、裝置及方法(SYSTEMS, DEVICES, AND METHODS FOR INTERACTING WITH QUANTUM INFORMATION STORED IN SPINS)」之第62/260,391號美國專利申請案(其以全文引用方式併入本文中)之一非臨時案，且主張該美國專利申請案之優先權。 本文中揭示在量子資訊處理(例如，量子計算及量子通信)中具有實際應用之系統、裝置、物件及方法。本發明系統、裝置、物件及方法之某些實施方案包含一量子電腦之以下態樣中之兩者或兩者以上或由一量子電腦之以下態樣中之兩者或兩者以上表徵：定義良好之量子位元、可靠狀態製備、低去同調率、準確量子閘操作、多量子位元耦合及強大量子量測。在量子通信及量子計算中具有實際應用之系統、裝置、物件及方法可互換固定量子位元(例如，固態)與飛行量子位元(例如，光子)中之狀態。 圖1圖解說明包含用以處理資訊之專門裝置之一電腦系統100。系統100包含一數位電腦102，數位電腦102包括一控制子系統104。控制子系統104包含至少一個處理器105。數位電腦102包含耦合至控制子系統104之一匯流排106。系統100包含兩者皆以通信方式耦合至匯流排106之至少一個非暫時性電腦與處理器可讀儲存裝置108及網路介面子系統110。數位電腦102包含以通信方式耦合至匯流排106之一輸入子系統112及一輸出子系統114。數位電腦102包含耦合至匯流排106之一類比電腦介面子系統116。在各種實施方案中，匯流排106以通信方式耦合電腦102中之若干對子系統及/或所有子系統。在某些實施方案中，省略或組合系統100之某些子系統。 至少一個處理器105可為任一邏輯處理單元，諸如一或多個數位處理器、微處理器、中央處理單元(CPU)、圖形處理單元(GPU)、特殊應用積體電路(ASIC)、可程式化閘極陣列(PGA)、經編程邏輯單元(PLU)、數位信號處理器(DSP)、網路處理器(NP)等等。 網路介面子系統110包括用以支援處理器可讀資料與處理器可執行指令之雙向通信之通信電路。網路介面子系統110採用通信協定(例如，FTP、HTTPS、SSH、TCP/IP、SOAP加上XML)以經由一網路或非網路通信通道(未展示) (諸如，網際網路、一串列連接、一並列連接、ETHERNET®、無線連接、光纖連接、前述各項之組合等等)交換處理器可讀資料與處理器可執行指令。 輸入子系統112包含一或多個使用者介面裝置，諸如鍵盤、指標、數字鍵盤、觸摸螢幕。在某些實施方案中，輸入子系統112包含用於數位電腦102或類比電腦150之一或多個感測器。該一或多個感測器提供表徵或表示數位電腦102及/或類比電腦150之環境或內部狀態之資訊。輸出子系統114包含一或多個使用者介面裝置，諸如顯示器、燈、揚聲器及印表機。 儲存裝置108係至少一個非暫時性或有形儲存裝置。舉例而言，儲存裝置108可包含：一或多個揮發性儲存裝置，例如隨機存取記憶體(RAM)；及一或多個非揮發性儲存裝置，例如唯讀記憶體(ROM)、快閃記憶體、磁性硬碟、光碟、固態磁碟(SSD)等等。熟習此項技術者將瞭解，儲存器可以各種方式來實施，諸如唯讀記憶體(ROM)、隨機存取記憶體(RAM)、硬碟機(HDD)、網路驅動機、快閃記憶體、其他形式之計算機與處理器可讀儲存媒體及/或其一組合。儲存器可係唯讀的或讀取-寫入的。進一步地，現代電腦系統合併揮發性儲存器及非揮發性儲存器，舉例而言，快取記憶體、固態硬碟機、記憶體內資料庫等等。 儲存裝置108包含或儲存與系統100之操作相關聯之處理器可執行指令及/或處理器可讀資料120。處理器可執行指令及/或資料120之執行致使至少一個處理器105及/或控制子系統104 (舉例而言)藉由網路介面子系統110或類比電腦介面子系統116實行各種方法及動作。處理器105可致使系統100實行方法及動作。舉例而言，處理器可執行指令及/或處理器可讀資料120可包含一基本輸入/輸出系統 (BIOS)(未展示)、一作業系統122、周邊驅動器(未展示)、伺服器指令124、應用程式指令126、校準指令128、量子資訊處理器控制指令130、環境控制指令132及處理器可讀資料134。 例示性作業系統122可包含LINUX®、WINDOWS®。伺服器指令124包含用以跨越一網路經由網路介面子系統與在系統100外部之電腦相互作用之處理器可執行指令及/或處理器可讀資料。在某些實施例中，處理器可執行伺服器指令124包含在由一處理器執行時對數位電腦102或類比電腦150之工作進行排程之處理器可執行指令及/或處理器可讀資料。應用程式指令126包含在經執行時致使系統100按應用程式執行(例如，執行對數位電腦102或類比電腦150之計算)之處理器可執行指令。 校準指令128包含在由一處理器(例如，處理器105)執行時致使該處理器校準及儲存類比電腦150之經校準值之處理器可執行指令。包含於類比電腦150中或上之組件可具有操作參數之組件間變化。校準指令128在由一處理器執行時允許測試及校正此等組件間變化及/或與預期或理想組件參數之變化。 量子資訊處理器控制指令130包含在由一處理器(例如，處理器105)執行時致使該處理器對類比電腦150進行控制、初始化、寫入、操縱、讀出及/或以其他方式向/自類比電腦150發送資料的處理器可執行指令。量子資訊處理器控制指令130部分地實施本文中所闡述之方法。 環境控制指令132包含在由一處理器(例如，處理器105)執行時致使該處理器控制及監視類比電腦150之部分或全部之規定及可能專門環境之態樣的處理器可執行指令及/或處理器可讀資料。此等指令132之實例包含用以監視及控制影響一量子資訊處理器之溫度及磁場之指令。環境控制指令132部分地實施本文中所闡述之方法，包含在圖10中及關於圖10之彼等方法等。 資料134包含藉由系統100之操作使用或獲得之資料。舉例而言，來自數位電腦102及類比電腦150之一或多個日誌。資料134包含與執行處理器可執行指令(諸如，伺服器指令124、應用程式指令126、校準指令128、量子資訊處理器控制指令130及環境控制指令132)之一處理器相關聯(例如，由該處理器建立、訪問、改變)之資料。 類比電腦介面(ACI)子系統116包括支援數位電腦102與類比電腦150之間的雙向通信之通信電路。在某些實施方案中，類比電腦介面子系統116與類比電腦150之一環境子系統152相互作用。在某些實施方案中，類比電腦介面子系統116經由類比電腦150之一或多個子系統(例如，子系統156及158)與量子資訊處理器154相互作用。在各種實施方案中，ACI子系統116包含一波形數化器，諸如一ALAZARTECH ATS9440、一4通道、14位元、125 MS/s卡或一ALAZARTECH ATS9360、一1通道、12位元、1.8 GS/s卡、來自Pointe-Claire，QC，CA之Alazar Technologies有限公司之卡。 類比電腦150包含為量子資訊處理器154提供一規定環境之一環境子系統152。舉例而言，一規定環境之態樣可包含濕度、空氣壓力、振動、磁場、溫度及電磁場中之一或多者。在某些實施方案中，環境子系統152在量子資訊處理器154周圍提供一低磁場。在某些實施方案中，環境子系統152在量子資訊處理器154周圍提供一非時變磁場。在某些實施方案中，環境子系統152提供一時變或脈衝磁場。在某些實施方案中，環境子系統152經由一或多個冷凍單元及/或冷源將量子資訊處理器154維持在低溫溫度。舉例而言，可將量子資訊處理器154維持在接近4 K。量子資訊處理器154之其他可用溫度包含在自大約100 mK至大約77 K之一範圍中之溫度。在某些實施方案中，環境子系統152維持在量子資訊處理器154周圍之環境具有大約290 K之一溫度。在某些實施方案中，環境子系統152包含振動隔離裝置，包含在冷凍單元中之減震器。在某些實施方案中，環境子系統152將一低濕度及恆定空氣壓力(例如，一穩定溫和真空)環境提供至量子資訊處理器154。 量子資訊處理器154包含一或多個量子位元。一量子位元(qubit或quantum bit)係可與一古典數位電腦中之一個二進制數位比較的一量子電腦之一邏輯構建區塊。一量子位元習用地係具有稱作計算狀態或基礎狀態之兩個或兩個以上離散狀態之一經定義實體系統。基礎狀態邏輯上類似於二進制狀態。此等狀態可標記為|0ñ及|1ñ。在某些實施方案中，此等狀態係實體系統之一Σ-Z算子(庖立矩陣算子)之本徵態。此等量子位元據稱在Z對角線基底中。一量子位元可在一狀態疊加(例如，a|0ñ +  b|1ñ)中。係數a及 b可係複數。可對一或多個量子位元執行一或多個邏輯操作。此等操作可在一規定時間(例如，在一指定時間)發生或以一頻率發生達一規定週期。 在某些實施方案中，量子資訊處理器154包含用以對一或多個量子位元執行一或多個類型之單量子位元操作之一或多個裝置或子系統。一單量子位元操作之實例包含可與一古典「非」閘比較之Σ-X或位元翻轉操作。一Σ-X操作實現模型化為圍繞X軸之一布洛赫(Bloch)球的一量子狀態之一旋轉。當旋轉係π弧度時，狀態|0ñ映射至|1ñ且反之亦然，亦即，一完全位元翻轉。在某些實例中，量子資訊處理器154可對一或多個量子位元執行一Σ-Y操作，而不具有古典二進制對應物。一Σ-Y操作實現圍繞Y軸之一旋轉。若該旋轉係π弧度，則該操作將狀態|0ñ映射至i |1ñ且將狀態|1ñ映射至-i |0ñ。該Σ-Y操作有時稱作皰立-Y操作或閘。在某些實例中，量子資訊處理器154可對一或多個量子位元執行一Σ-Z或相位操作，而不具有古典對應物。一Σ-Z操作實現圍繞Z軸之一旋轉。如該旋轉係π弧度，則該操作將|0ñ映射至|0ñ且將|1ñ映射至-|1ñ。該Σ-Z操作有時稱作一相位翻轉或偏置操作或閘。 在某些實施方案中，量子資訊處理器154包含可耦合量子位元之一或多個耦合器。一雙量子位元耦合操作可係一選擇性操作。可對一第一及一第二量子位元執行一雙量子位元耦合操作。一雙量子位元耦合操作之一實例係一CNOT閘，其中將兩個量子位元視為輸入且一第一量子位元之輸出狀態係該第一量子位元之輸入狀態之「非」(以第二量子位元之輸入狀態之狀態為條件)。一雙量子位元耦合操作之其他實例係一易辛(Ising)耦合、對角線耦合或Σ-Z Σ-Z耦合。在量子資訊處理器154中，量子位元可透過若干個結構及裝置以通信方式彼此耦合。在某些實施方案中，經由包含於量子資訊處理器154中之一單個耦合器調解量子位元-量子位元相互作用。在某些實施方案中，經由多個耦合器調解量子位元-量子位元相互作用。在某些實施方案中，量子資訊處理器154耦合三個或三個以上量子位元。量子資訊處理器154包含一或多個光學結構作為耦合器。量子資訊處理器154可包含一或多個光學共振器及/或一或多個波導作為耦合器。 類比電腦150包含用以對量子資訊處理器154進行寫入及操縱之一量子輸入子系統156。在某些實施方案中，量子輸入子系統156包含一數位轉類比轉換器。在某些實施方案中，量子輸入子系統156包含用以將窄或寬光譜光施加至量子資訊處理器154之若干部分之一光源。在某些實施方案中，量子輸入子系統156包含用以將一磁場提供至量子資訊處理器154之若干部分或全部之一電磁鐵。在某些實施方案中，量子輸入子系統156包含用以將一或多個時間、持續時間及頻率之控制脈衝選擇性地提供至量子資訊處理器154之一或多個發射器(例如，導線、天線、線圈)。一脈衝產生器之實例係可自Beaverton，OR，US之Tektronix有限公司購得之一PSPL10070A™。在某些實施方案中，該等發射器在量子資訊處理器154上。在某些實施方案中，該等發射器接近於量子資訊處理器154且耦合至其上之裝置。可使用微波、RF及/或電磁控制脈衝。在某些實施方案中，量子輸入子系統156連同控制子系統104用於對量子輸入子系統156中之電子及/或核自旋子執行電子順磁共振(EPR)及/或核磁共振(NMR)。在某些實施方案中，一體EPR或NMR腔環繞量子資訊處理器154。 在某些實施方案中，量子輸入子系統156包含電(例如，電流地)耦合至包含於量子資訊處理器154中之一或多個電極或電極對之導線。在某些實施方案中，量子輸入子系統156施加DC及AC電流以依據量子輸入子系統156電偏壓於且控制量子資訊處理器154。舉例而言，量子輸入子系統156可注入或自量子資訊處理器154之一或多個部分移除載子(例如，電子及電洞)。或者，在某些實例中，提供一靜態或震盪電場或磁場。DC電流及電壓可由諸如電池供電之電壓源之低雜訊電源提供。該等電流及電壓可透過電阻分壓器/電壓組合器施加。AC電流及電壓可使用一任意波形產生器或信號產生器(諸如，可自Thousand Oaks，CA，US之Teledyne Technologies有限公司購得之一TELEDYNE LECROY ARBSTUDIO 1104™)施加至量子資訊處理器154之若干部分。用於電子自旋共振(ESR)之AC電流及電壓可使用一信號產生器(諸如，可自Santa Clara，CA，US之Agilent Technologies購得之一AGILENT E8257D™微波類比信號產生器)施加至量子資訊處理器154之若干部分。自量子資訊處理器154引導及/或引導至量子資訊處理器154之線路(包含圖1中所展示之彼等線路)可包含濾波器，例如，低通、帶通及高通濾波器。 類比電腦150包含用以操縱量子資訊處理器154且自量子資訊處理器154讀取之一量子輸出子系統158。在某些實施方案中，量子輸出子系統158包含一類比轉數位轉換器。在某些實施方案中，量子輸出子系統158包含一或若干光學讀出裝置。一光學讀出裝置偵測由量子資訊處理器154產生或在量子資訊處理器154中產生之光子或者量測包含於量子資訊處理器154上或中之一光學結構之狀態。諸如一共振器之一光學結構支援一或多個光子模態。本文中闡述光學結構之實例。在某些實施方案中，(若干)光學讀出裝置在一或多個光子在光學共振器中之存在或不存在之間進行區分。在某些實例中，(若干)光學讀出裝置偵測一光學結構之一或多個光子模態之一頻率移位。一個光學讀出裝置可讀出一或多個光學共振器之狀態。一光學結構之狀態可取決於耦合至該光學結構之一深雜質(例如，施體原子)之狀態。本文中闡述深雜質之實例。 在某些實施方案中，數位電腦102使用量子輸出子系統158來對量子資訊處理器154中之資訊執行邏輯操作。舉例而言，量子輸出子系統158可用於對量子資訊處理器154執行量測。在包含一強大量子量測裝置之某些實施方案(諸如，本文中至少關於圖7所闡述之實例)中，量測可替換一或多個量子操作。可僅使用局部閘及非局部(例如，同位)量測來實現通用量子計算。 在某些實施方案中，量子輸出子系統158對量子資訊處理器154中之組件之狀態執行單發讀出。在某些實施方案中，量子輸出子系統158以吉赫速度對量子資訊處理器154中之組件之狀態執行讀出。 在某些實施方案中，類比電腦150以通信方式耦合至一量子資訊通道170。量子資訊通道170可用於向及自量子資訊處理器154發送量子資訊。在某些實施方案中，省略數位電腦102及類比電腦150之若干部分以形成包含量子資訊處理器154及量子資訊通道170之一較小資訊處理裝置。 圖2係圖解說明一量子資訊處理器200之一部分之一示意圖。量子資訊處理器200之該所圖解說明部分包含半導體材料202之一基板、放置(例如，植入)於半導體材料202內之一例示性施體原子204及以通信方式耦合至例示性施體原子204之光學共振器206。 在某些實施方案中，半導體材料202係矽。在某些實施方案中，半導體材料202係自然矽。在某些實施方案中，半導體材料202係經淨化非順磁矽。半導體材料202包含碳化矽或矽鍺。增加一實體系統之效能度量(例如，諸如量子資訊處理器200之一系統之較長同調時間)之一種方式係使用具有一大分數之非順磁核之一半導體材料。自然矽由大約95%非順磁核(92.2%矽-28及3.1%矽-30)組成且可經淨化以移除某些至幾乎所有非零核自旋同位素，諸如矽-29。 可藉由如下方式將此等穩定同位素分開：形成四氟化矽(SiF4 )氣體且然後應用基於離心機或瀉流之技術以將該等同位素分開。使用同位素地淨化之四氟化矽及/或自四氟化矽產生之同位素地淨化之矽烷(SiH4 )，可使用分子束磊晶(MBE)、化學汽相沈積(CVD)等等以及其他方法形成同位素地淨化之矽之晶圓及晶體。適合半導體材料202可購自Isoflex USA，San Francisco，CA，US之一同位素供應公司。 施體原子204安置在半導體材料202體內。在某些實施方案中，施體原子204植入、沈積或放置在半導體材料202塊或團內的深處。在至少一項實施方案中，該放置較淺。舉例而言，複數個介面(例如，面、側或邊緣)界定半導體材料202之範圍。在某些實施方案中，施體原子204安置在距該複數個介面中之每一介面大於10奈米之一距離處。在某些實施方案中，施體原子204漸逝地耦合至一光學結構(例如，共振器、波導、透鏡)且定位在半導體材料202內之淺深度(例如，若干奈米)處。在某些實施方案中，施體原子204安置在距該複數個介面中之每一介面大於20奈米之一距離處。在某些實施方案中，施體原子204安置在距該複數個介面中之每一介面大於30奈米之一距離處。在某些實施方案中，施體原子204安置在距該複數個介面中之每一介面在30奈米與500奈米之間的一距離處。在某些實施方案中，施體原子204安置在距該複數個介面中之每一介面在10奈米與2微米之間的一距離處。在某些實施方案中，施體原子204安置在距該複數個介面中之每一介面在30奈米與1微米之間的一距離處。位置越深，施體距可駐留在該等介面上之電荷越遠。 施體類型及植入方法隨實施方案而變化。離子植入之半導體工業標準技術可用於以可控制方式將施體原子204植入至半導體材料202中。美國專利3,434,894中闡述一個植入程序。在某些實施方案中，施體原子204係一穩定非氣態硫族元素原子。亦即，長壽命金屬及非金屬固體藉助矽中之一替代性雙重施體電子結構將16個原子分群。實例包含硫、硒及碲。在某些實施方案中，使用特定同位素。實例包含硫-33、硒-77、碲-123及碲-125。適合同位素可購自Isoflex USA。在某些實施方案中，施體原子204係具有實質上大於熱能kB T 之一電離能量之一「深位準雜質」或「深位準施體」，其中kB 係波茲曼常數且溫度T 係室溫(~293 K)。一淺施體之能量可與室溫下之熱能比較。本文中在兩種意義上使用「淺」及「深」：第一種係限定一或多個施體原子之一能量；且第二種係限定一或多個施體原子之一空間位置。對於熟習此項技術者，在每一個別出現中尤其鑒於內容脈絡而明瞭此等不同含義，諸如，「能量」、「位準」、「光譜」對「安置」、「放置」、「位置」等等。 半導體材料202中之施體原子204定義一量子位元之部分或全部。在某些實施方案中，半導體材料202中之施體原子204包含具有不同磁自旋值之兩個狀態。在某些實施方案中，施體原子204具有對應於自旋向下|¯ñ之一第一狀態。在某些實施方案中，此標記為|0ñ，可與一位元中之「0」比較的一量子位元之一邏輯狀態。在某些實施方案中，施體原子204具有對應於自旋向上|­ñ之一第二狀態。此可標記為|1ñ，可與一古典位元中之「1」比較的一量子位元之一邏輯狀態。本文中至少在圖8或圖14處展示及闡述施體原子之量子狀態之實例。 在某些實施方案中，施體原子操作高達大約100吉赫。亦即，可使用對應於此等狀態之能量分裂之驅動頻率(其係高達大約100吉赫之頻率)完成施體電子或核自旋之操縱。在某些實施方案中，闡述施體原子204之一哈密頓函數(Hamiltonian)包含具有與高達大約100吉赫之頻率相關之量值之一橫向單量子位元項(例如，Σ-X項)。該橫向單量子位元項係一位元翻轉，亦即對第一狀態進行操作以產生第二狀態且反之亦然。 在某些實施方案中，施體原子204具有一自旋選擇性躍遷。在某些實施方案中，施體原子204具有大約1德拜(或大約3 × 10-30 C m)之光學電躍遷偶極矩(μ)，其係比某些自由空間原子強之一躍遷偶極值。放置在具有一局部電場E (包含電場E之一經對準部分)之一匹配光學結構(例如，共振器206)內的原子之躍遷偶極矩μ引起與躍遷偶極矩與經對準部分電場之乘積成比例之一共振器耦合強度。在某些實施方案中，施體原子204在對應於商購光學發射器、雷射、偵測器、鏡等等之波長之方便波長中具有一或多個躍遷。在某些實施方案中，該等波長對應於中IR波長。在某些實施方案中，施體原子204不顯示明顯的光子邊頻帶及/或雙光子引發之光致電離。 量子資訊處理器200包含一光學共振器206。一共振器、光學共振器、光學腔或腔係允許光波形成一駐波之折射及反射材料介面之一配置。共振器206之幾何形狀允許共振器206將能量儲存為特定駐波、光子模態或模態。各種模態可具有特性波長，其中共振器(例如，一維腔)之一特性長度等於該特性波長之四分之一之一整數倍數。一共振器之模態具有一頻率。在某些實施方案中，該等模態對應於光學波長(頻率)。例示性共振器206示意性地展示為兩個凹面鏡206-1及206-2。該等鏡分開一特性長度208。在某些實施方案中，特性長度208在1微米與10微米之間且包含1微米及10微米。在某些實施方案中，特性長度208在100奈米與1毫米之間且包含100奈米及1毫米。 在某些實施方案中，共振器206由特徵(例如，空隙及突出部)界定。在某些實施方案中，共振器206由在半導體材料202之一或多個介面上且作為該一或多個介面之部分之空隙(例如，孔隙、腔、凹陷部、溝槽、洞、刻痕、袋形區、凹部或狹槽)界定。舉例而言，空隙可由避開周圍介面之介面界定。在某些實施方案中，共振器206由在半導體材料202之一或多個介面上或凸出於該一或多個介面之上之突出部(例如，凸塊、柱、脊、葉片)界定。在某些實施方案中，特徵彼此間隔開大約100奈米。在某些實施方案中，空隙及突出部彼此間隔開大約500奈米或大致800奈米。在某些實施方案中，特徵間隔開在300奈米與3微米之間且包含300奈米及3微米。 共振器206光學(例如，漸逝地)耦合至施體原子204。亦即，與共振器206中之光學模態相關聯之電場與施體原子204之電子波函數重疊。在某些實施方案中，共振器206之一模態具有與施體原子204中之一躍遷匹配(亦即，共振)之一頻率，共振器頻率。亦即，兩個頻率相同，或大約相同。此處，在目標頻率之加或減10％之意義上使用「大約」。在某些實施方案中，大約相同之兩個頻率產生兩個系統之間的一較弱通信。在某些實施方案中，共振器206具有接近於施體原子204之光學躍遷頻率中之一或多者之一共振器頻率。光學耦合之一實例係漸逝耦合。漸逝地耦合(或近場相互作用)包含當兩個折射主體彼此充分地靠近而放置時使得預期在第一主體中內部地反射之電場波傳播至接近第二主體中。 光學共振器之實例包含界定於絕緣體上矽材料中之結構。在某些實施方案中，諸如共振器206之光學共振器具有104 之品質因數。在某些實施方案中，光學共振器具有超過103 之品質因數。在某些實施方案中，諸如共振器206之光學共振器佔據與(l/n )3 成比例之一空間，其中l係光子模態波長且n 係包含於共振器中之材料之折射率。 半導體材料中之施體原子可耦合至光學共振器，例如，施體原子204及共振器206。舉例而言，由一絕緣體上矽材料形成之一光學共振器可具有接近2.9微米之一腔模態波長、超過104 之一品質因數及超過1 MHz之一耦合頻率(亦即，真空拉比(Rabi)頻率)。原子-共振器耦合強度可由腔模態體積、原子相對於共振器之放置及一所提供磁場(例如，由量子輸入子系統156提供)之一定向判定。共振器206經由一對頻率之共振(匹配或接近匹配)耦合至一施體原子204：共振器206中之一腔或模態頻率及施體原子204中之一躍遷頻率。在本文中，施體原子204中之一躍遷頻率等等可為了枚舉及識別目的而稱為一第一躍遷頻率、第二躍遷頻率等等，且不建議最低、其次最低等等。 圖3係圖解說明一量子資訊處理器300之一例示性部分之一示意圖。量子資訊處理器300包含複數個施體原子204及複數個共振器206。對圖3中之示意圖之一種解釋係包含施體原子204及共振器206之一半導體晶片之一平面圖。 量子資訊處理器300包含間隔開之複數個施體原子，包含原子204A、204B及204C。包含原子204之該複數個施體原子與間隔開之複數個共振器(包含共振器206A、206B及206C)相關聯。在所圖解說明實例中，該複數個施體原子204中之每一施體原子與共振器206中之一相關聯共振器沿至少一個軸對準。在各種實施方案中，施體原子間間隔之所需要精確度係低的。 在某些實施方案中，量子資訊處理器300包含包括兩個或兩個以上施體原子204及一或多個共振器206之一量子暫存器。在某些實施方案中，量子資訊處理器300包含接近兩個或兩個以上施體原子204及一或多個共振器206之一或多個單電極。該等電極可上覆於半導體材料202上。在某些實施方案中，量子資訊處理器300包含接近於且騎跨兩個或兩個以上施體原子204及一或多個共振器206之一或多對電極。騎跨包含橫跨及跨立之安置。 在某些實施方案中，共振器206A、206B及206C係一較大共振器配置之部分。舉例而言，該較大配置係一個二維平鋪。共振器206A與共振器206B間隔開距離302。共振器206B與共振器206C間隔開距離304。共振器206C與共振器206A間隔開距離306。在某些實施方案中，共振器之交錯係規則的且距離302、304及306中之兩者或兩者以上係相同的。 在所圖解說明實例中，距離302、304及306係大約一特性衰減長度λ/n 之距離，其中λ係一光子模態波長且n 係將共振器206A、206B及206C分開之材料之折射率。舉例而言，λ可係與共振器206A、206B及206C中之優勢光子模態相關聯之平均波長。在某些實施方案中，共振器之間的距離係特性衰減長度之十倍。在某些實施方案中，特性波長係將共振器206A、206B及206C分開之一或多種介質中之波長。舉例而言，在矽中，波長減小大約3之一因數，亦即，對於某些波長l，n (l) » 3.45。 在某些實施方案中，量子資訊處理器300包含複數個耦合器，其中每一耦合器包含兩個共振器。舉例而言，共振器206A及206B係用於施體原子204A及204B之一耦合器。 在某些實施方案中，共振器206A、206B及206C藉由波導來耦合。在某些實施方案中，距離302、304及306可小至一微米且長至若干米。在某些實施方案中，共振器206A、206B及206C在不同半導體基板上且藉由波導或光纖耦合。在某些實施方案中，與一第一半導體基板一起所包含之第一複數個施體原子及共振器光學耦合至與一第二半導體基板一起所包含之第二複數個施體原子及共振器。在某些實施方案中，遠端基板藉由包含於一類型II量子電腦(藉由有損耗或古典通道耦合之較小量子系統)中之一或多個波導耦合。 圖4係圖解說明包含一對施體原子204D及204E之一量子資訊處理器400之一例示性部分之一示意圖。該對施體原子中之每一施體原子與一共振器(例如，共振器206D及206E)相關聯。共振器206D及206E可界定在避開一基板之半導體結構內。在某些實施方案中，共振器206D及206E凸出於基板之上且主要地藉由自由空間(例如，真空或空氣)分開。在某些實施方案中，該等共振器主要地藉由諸如氮化矽之一包覆材料分開。共振器206D與206E之間的一距離402係大約該對共振器之一特性波長之距離。在某些實施例中，該特性波長係將該對共振器分開之一或多種介質中之波長。與介入固體材料相對的該對共振器之間的自由空間允許共振器之間的較大距離或具有較大耦合強度之相等距離。 圖5係圖解說明一量子資訊處理器500之一例示性部分之一示意圖。量子資訊處理器500包含複數個施體原子504-0、504-1、504-2、504-3及504-4，統稱為504。量子資訊處理器500包含複數個共振器506-1、506-2、506-3及506-4，統稱為506。一共振器可插置在一第一施體原子與一第二施體原子之間。舉例而言，共振器506-1插置在施體原子504-0與施體原子504-1之間。如圖5中所圖解說明，共振器506-1之明顯形心及主軸(例如，縱軸)兩者與施體原子504-0及施體原子504-1一致。然而，若一共振器耦合至然後將「插置在其之間」的一第一施體原子及一第二施體原子，則共振器之形心及主軸兩者皆不需與第一施體原子及第二施體原子一致。 每一施體原子與複數個共振器相關聯，且以通信方式耦合至複數個共振器。以此方式，施體原子可經由共享共振器以通信方式耦合。可以可構造共振器206之相同方式來構造共振器506。 可執行量子資訊處理器500之例示性部分。在某些實施方案中，共振器506及施體原子504係一較大共振器與施體原子配置之部分。舉例而言，該較大配置係一個二維平鋪，亦即複數個施體原子504-0、504-2及504-3及共振器506形成一例示性量子資訊處理器之一可重複子部分。可重複子部分可平鋪在一較大區域上方。 在各種實施方案中，關於施體原子間間距之所需要精確度係低的。施體原子504可具有一既定交錯，但亦具有高達50 nm或高達且包含100 nm之一分散(亦即，脫離既定位置之距離)。此容限有利地與植入技術之精確度進行比較。 在某些實施方案中，量子資訊處理器500包含複數個耦合器，其中每一耦合器包含一共振器。舉例而言，共振器506-1係用於施體原子204A及204B之一耦合器。本文中至少關於圖12闡述耦合器之操作。 圖6係圖解說明包含一對光學共振器及一對施體原子之一量子資訊處理器600之一例示性部分之一示意圖。量子資訊處理器600之該例示性部分包含界定於一半導體基板602中之一光子晶體。 一光子晶體係一週期性光學結構，該週期性光學結構影響光子在該結構內及穿過該結構之運動。亦即，其強烈地拘限光。一光子晶體由一帶隙或抑止頻帶表徵。一帶隙係一光子頻率範圍，若忽視穿隧效應，則無光子可以該光子頻率範圍透射穿過一材料(例如，半導體基板602)。一光子晶體之製作方法取決於光子帶隙必須存在於其中之維度之數目。 在某些實施方案中，一或多個量子資訊處理器之製作包含使用用於CMOS晶圓之半導體製作設施、機器及程序。在某些實施方案中，量子資訊處理器之製作包含薄膜沈積、圖案化及蝕刻。除非具體內容脈絡需要，否則貫穿此說明書，如「沈積(deposit及deposition)」之術語用於囊括任何材料沈積方法，包含但不限於物理汽相沈積(PVD)、化學汽相沈積(CVD)、電漿增強型PVD、電漿增強型CVD及原子層沈積(ALD)。除非具體內容脈絡需要，否則貫穿此說明書，如「圖案化(pattern及patterned)」之術語用於囊括藉由以下方式按特定形狀或圖案在一基板上、在該基板中及上覆於該基板上形成材料或者形成該基板之任何方法：施加且處理遮罩材料(例如，抗蝕劑)，且經由曝露於輻射(例如，光或電子)而在該遮罩材料中以若干幾何形狀進行界定。蝕刻根據藉由光阻劑或其他遮罩確定界線之所要圖案移除若干材料層，例如，基板、半導體層、介電層、氧化層、電絕緣層及/或金屬層。例示性蝕刻技術係濕式化學蝕刻、乾式化學蝕刻、電漿蝕刻、物理蝕刻及反應離子蝕刻。 量子資訊處理器600包含半導體基板602。半導體基板602包含或支援一或多個共振器。在半導體基板602內或上界定包含兩個或兩個以上特徵(例如，空隙及突出部)之一大體週期性光學結構。如圖6中所圖解說明，一特徵晶格(晶格604)界定於半導體基板602中或上。 在某些實施方案中，特徵晶格604係界定於半導體基板602中之洞(例如，圓柱體、凹陷部、洞、刻痕或空隙)。晶格604可係規則的，例如，一等邊三角形晶格。在一等邊三角形晶格之情形中，兩個參數界定一規則三角形晶格。一晶格常數界定洞之間(中心與中心)的距離。一半徑界定晶格604中之洞(例如，洞603)之大小。後者可表達為前者之一小部分。在某些實施方案中，共振器之內部(或腔)由晶格中之一或多個中斷界定。在某些實施方案中，該等中斷係自晶格缺失或在晶格內位移之特徵。舉例而言，一特徵之一不存在導致一特徵圖案中之一中斷。另一實例係存在但自一常規位置側向移位之特徵。如600中所展示，複數個洞自晶格604缺失。此等包含晶格中斷606-1及606-2。晶格中斷606-1界定一個一維共振器之內部(或腔)。每一晶格中斷由一主軸及沿著或平行於該主軸之一空間範圍或長度L (線節段610)表徵或闡述。 量子資訊處理器600之部分包含一光學共振器608-1及一光學共振器608-2。光學共振器608-1 (608-2)包含半導體基板602及晶格604之若干部分以及晶格中斷606-1 (606-2)。一共振器(例如，光學共振器608-1)內側之電場可經設計以漏出。 量子資訊處理器600包含複數個施體原子。例示性施體原子612放置在光學共振器608-2中。在某些實施方案中，一施體原子放置在一光學共振器之一光子模態之一腹點處。一腹點包含節點之間的最大振幅之一區。舉例而言，施體原子612放置在大約光學共振器608-2之中點處。在某些實施方案中，一施體原子遠離共振器之中心而放置。舉例而言，施體原子613朝向光學共振器608-1之一角落放置。施體原子613可耦合至共振器之一不同模態或具有一較小耦合強度。 量子資訊處理器600包含與光學共振器608-1及光學共振器608-2通信之一光學結構614。光學結構614可係支援一或多個傳播模態之一波導，或支援一或多個共振模態之一共振器。 圖7係圖解說明包含一光學共振器706及一波導708 (例如，一光學纖維)之一量子資訊處理器700之一例示性部分之一示意圖。一施體原子704耦合至光學共振器706。經由光學共振器706與波導708之相互作用讀出施體原子704之狀態。 量子資訊處理器700包含一半導體基板702，其中一施體原子704植入於半導體基板702中。施體原子704耦合至界定於半導體基板702上或中之一光學共振器706。光學共振器706以通信方式耦合至分開距離714之波導708。在某些實施方案中，波導708係一晶片上光子波導。在某些實施方案中，使用光學纖維。 一光源710沿著用以與光學共振器706相互作用之波導708發送光，且光在偵測器712處經量測。光學共振器706耦合至施體原子704。施體原子704之狀態影響光學共振器706之狀態(例如頻率)。在某些實施方案中，來自光源710之光傳輸穿過波導708且進入偵測器712將取決於光學共振器706之頻率而變化。舉例而言，針對一特定波導-共振器間隔714，若光源頻率匹配光學共振器706之頻率，則至偵測器712之傳輸將少於光源頻率不同於共振器頻率之情況。類似地，當光源頻率匹配光學共振器頻率時，往回至光源之光反射將減少。光源710與偵測器712之間的光學通道之波長相依傳輸揭示至若干個附近施體自旋子之任何耦合。若光學共振器706耦合至光學躍遷之一自旋選擇性子集，則此波長相依傳輸揭示所耦合施體自旋子之自旋狀態。在某些實施方案中，光學偵測器包含用以偵測波導708中之光之性質(諸如，光學偏振、光子數目、光學強度、多個光子之相對不可分辨性、光學頻率、偵測時間、光之空間分佈或類似物)之改變的電元件與光學元件之一組合，該等性質可用於推斷光學共振器706及所耦合深雜質(例如，施體原子704)之一狀態。 圖8係圖解說明對照背景磁場強度標繪之能量之一圖表800。圖表800包含對照一所耦合核自旋-1/2、電子自旋-1/2雜質系統之磁場標繪之本徵態(亦即所允許穩態)之能量。在圖表800中，人工地放大核自旋分裂以圖解說明特定特徵。圖表800包含在一第一軸802上之能量及在軸804上之橫向磁場。標繪一核自旋(N)與電子自旋(E)之一系列能階806。躍遷810包含在1s:A基態(用單態及三重態標記)與1s:Γ7激發態之間。此等電子-核自旋狀態標記在(例如)高於1特示拉之高場極限中係良好量子數目。在某些實施方案中，替代諸如硒-77之核自旋-1/2同位素而使用具有一自旋-0或自旋-3/2之核同位素(例如，分別為硫-34及硫-33)，此相應地變更能階結構。 針對具有一給定電子-核耦合之一給定電子-核自旋-1/2系統，存在稱作一「時脈躍遷」之一特定磁場808，其中核自旋狀態之躍遷頻率之導數係零。在某些實施方案中，此磁場用於藉由降低其躍遷頻率對磁場波動之靈敏度而進一步延伸核自旋同調時間。隨著磁場增加，不同狀態之能量發散。在某些實施方案中，較高核自旋系統另外擁有電子自旋時脈躍遷，其中電子自旋狀態之躍遷頻率之導數係零。 量子計算及量子資訊處理之計算狀態隨實施方案而變化。在某些實施方案中，該等計算狀態基於一深雜質(例如，施體原子)之核自旋。一實例性編碼係|0ñ = |¯ñn 及1ñ = |­ñn 。在某些實施方案中，該等計算狀態基於一雜質之電子自旋。一實例性編碼係|0ñ = |¯ñe 及|1ñ = |­ñe 。在某些實施方案中，該等計算狀態基於一雜質之電子自旋及核自旋。此等係單態/三重態量子位元，其中單態狀態係自旋-0且三重態狀態係一個三重簡並自旋-1狀態。舉例而言，|0ñ  µ   |­¯ñ - |¯­ñ且|1ñ  µ   |­¯ñ + |¯­ñ，|1ñ = |¯¯ñ，且|1ñ = |­­ñ。第一自旋可係電子自旋且第二自旋係核自旋。在某些實施方案中，|0ñ及|1ñ量子位元狀態由基態(舉例而言標記為1s:A之能階)及光學激發態(舉例而言標記為1s:T2之能階)定義。 闡述在存在一磁場(例如，
Figure 02_image003
)之情況下一經隔離深雜質(諸如，施體原子204)之電子自旋與核自旋之自旋相互作用之一哈密頓函數係：
Figure 02_image005
前兩個項係電子及核自旋子之則曼項，而第三項係超精細相互作用。在此處，
Figure 02_image007
係波耳磁元，
Figure 02_image009
係核磁元，且
Figure 02_image011
及
Figure 02_image015
係電子及核g因數。
Figure 02_image019
及
Figure 02_image023
係完全自旋算子(例如，
Figure 02_image025
)之z部分，B 係上文所定義之磁場；且A 係一材料相依常數，亦即，超精細常數。當磁場強烈時，以下係系統之良好標記，|e n ñ = {|¯¯ñ , |¯­ñ , |­¯ñ , |­­ñ}。在(例如)在低溫下不存在激發之情況下，電子自旋子具有一低能量狀態。核自旋狀態相差對應於核共振頻率之一能量，
Figure 02_image031
。藉由沿橫向方向施加磁脈衝
Figure 02_image033
，自旋子以核共振頻率振盪。在一Σ-X操作之此實例中，該等自旋子可經翻轉，被放在一自旋子疊加中等等。此係對複數個深雜質之磁共振控制，例如，NMR及ESR。至一雜質之激發態之與光學躍遷頻率近共振之光學激發亦可用於控制自旋量子位元基態。與一第一深雜質相關聯之一個自旋子可藉由將一電壓施加至電容耦合至該第一深雜質之一電極而選自複數個自旋子。彼使包含該第一深雜質之一電容器之一電壓變化。磁共振頻率以及深雜質之光學躍遷頻率改變。對於電極上之一正電荷，磁共振頻率下降，
Figure 02_image037
。現在，一個雜質(一目標雜質)可使用光學或磁共振控制自複數個雜質當中定址。一量子輸入子系統可藉由接近目標施體原子使半導體基板應變而形成類似頻率移位。 圖9圖解說明用於一量子資訊處理器之操作之一實例性方法900。對於方法900，與本文中教示之其他方法一樣，可以不同於所圖解說明及闡述之次序之一次序執行各種行為。另外，方法可省略某些行為，及/或採用額外行為。可藉由或經由一或多個電路(例如一或多個硬體處理器)執行方法900之一或多個行為。在某些實施方案中，藉由一控制器(例如，系統100之控制子系統104)執行方法900。 方法900通常藉由來自一控制器之調用而開始。在902處，控制器致使製備一或多個量子位元。在某些實例中，控制器致使初始化一或多個雜質(例如，施體原子)及一或多個光學結構(例如，光學共振器或波導)。 在904處，控制器視情況致使執行一或多個量子位元中之單量子位元操縱。在某些實施方案中，控制器致使量子輸入子系統將磁共振脈衝及/或機械脈衝及/或電脈衝及/或光學脈衝施加至一或多個深雜質及/或一或多個光學結構。在某些實施方案中，單量子位元操縱包含應用一Σ-X操作。 在某些實施方案中，可使用磁共振操縱自旋量子位元。在某些實施方案中，可使用光學脈衝操縱自旋量子位元。此等磁場或光學控制場可施加至單個深雜質、單個光學結構、複數個深雜質及/或複數個光學結構。在某些實施方案中，可使用(舉例而言)磁場梯度、應變或電場在外部控制個別深雜質及光學結構之特性(舉例而言，頻率及耦合強度)。此允許全域控制場對深雜質及光學結構之子集選擇性地起作用。 在某些實施方案中，控制器執行行為906、908及910中之一者。在906處，控制器致使一類比電腦將一光子或飛行量子位元互換成一自旋量子位元狀態及/或反之亦然。在某些實施方案中，控制器致使一量子輸入子系統及/或一量子輸出子系統將一光子量子位元互換成一自旋量子位元狀態或將一量子位元互換成一光子量子位元狀態。在908處，控制器致使兩個或兩個以上深雜質經由一或多個光學結構耦合。在910處，控制器致使讀出一或多個深雜質及/或一或多個光學結構。方法900結束直至再次經調用為止。 圖10圖解說明用於一量子資訊處理器之操作之一實例性方法1000。方法1000係行為902之一實施方案。對於方法1000，與本文中教示之其他方法一樣，可以不同於所圖解說明及闡述之次序之一次序執行各種行為。另外，方法可省略某些行為，及/或採用額外行為。可藉由或經由一或多個電路(例如一或多個硬體處理器)執行方法1000之一或多個行為。在某些實施方案中，藉由一控制器(例如，系統100之控制子系統104)執行方法1000。 方法1000通常藉由來自一控制器之調用而開始。在1002處，控制器致使一類比電腦及/或環境子系統為一量子資訊處理器製備一經隔離環境以為一或多個雜質及/或光學結構提供一環境。舉例而言，量子資訊處理器可包含一或多個深雜質(例如，施體原子)及一或多個光學結構(例如，共振器)。 在1004處，控制器致使一類比電腦150及/或量子輸入子系統156製備處於一選定電荷狀態(諸如，單個地電離狀態)中之一或多個雜質(例如，施體原子)。舉例而言，一施體原子(諸如，施體原子204，亦即，一穩定非氣態硫族元素原子)係安置於半導體材料202中之一原子。在根據方法1000操作一量子資訊處理器中，可單個地電離此等施體原子。兩個電子在其電中性狀態中束縛於硫族元素施體原子，從而使其為類氦或一雙重施體。一硫族元素施體原子之一第一電子之結合能量比一第二電子之結合能量小得多，例如，小2之一因數。使用各種方法，自一施體原子剝除一個電子，從而使其為類氫的。亦即，可單個地電離雙重施體。用以製備一類氫施體原子之一種方法包含光致電離：施加具有大於中性施體原子之結合能量之能量之光。一第二方法涉及用附近電極電加偏壓於裝置。在某些實施方案中，量子資訊處理器包含在半導體材料內用以接收自由電子之受體位點。適合用於一受體位點之一種材料係硼。一受體可包含來自III族(13)之一受體，例如，硼、鋁、鎵及銦。 在1006處，控制器致使初始化一或多個光學結構(例如，光學共振器或波導)。舉例而言，在低溫下且在一長時間之後，一或多個光學共振器將不具有剩餘之光子。亦即，在特定環境(例如，低溫)中，光學共振器將係未熱填充的(亦即，零光子)，且因此透過與環境之平衡經初始化。 在1008處，控制器致使類比電腦150及/或量子輸入子系統156將一或多個雜質及/或光學結構製備為處於一基準狀態中。該基準狀態取決於由量子資訊處理器使用之計算狀態。在某些實施例中，一或多個量子位元處於狀態|0ñ中。為初始化雜質之自旋狀態，存在若干種技術。在某些實施方案中，特定光學頻率之施加可用於將雜質之自旋子驅動至一預定初始狀態中。在某些實施方案中，量測該等自旋子且若必要則使用磁共振(例如，EPR、NMR)或脈衝光學技術將每一量子位元操縱至所要狀態係可能的。亦即，在一計算之開始，初始化一量子資訊處理器中之每一量子位元使得其具有已知且定義良好之計算(邏輯)狀態，例如，核自旋狀態、電子自旋狀態或一組合。此可藉由讀出每一量子位元來達成。當一量子位元之所量測狀態係錯誤的時，控制器操縱量子位元之狀態以與正確初始狀態對準。在某些實施方案中，該等量子位元係核自旋子。在某些實施方案中，該等量子位元係電子自旋子。在某些實施方案中，舉例而言使用接近零磁場，電子-核自旋量子位元經闡述為單態/三態量子位元。亦可使用與針對個別電子-核自旋情形所闡述相同之技術初始化單態/三態狀態。在某些實施方案中，同時採用以上量子位元之若干組合。 圖11圖解說明用於一量子資訊處理器之一實例性操作之一方法1100。方法1100係圖9之行為908之一實施方案。對於方法1100，與本文中教示之其他方法一樣，可以不同於所圖解說明及闡述之次序之一次序執行各種行為。另外，方法可省略某些行為，及/或採用額外行為。可藉由或經由一或多個電路(例如一或多個硬體處理器)執行方法1100之一或多個行為。在某些實施方案中，藉由一控制器(例如，系統100之控制子系統104)執行方法1100。 半導體材料中之施體原子可透過與本文中所闡述之系統及裝置相容之若干種方法以通信方式彼此耦合。在某些實施方案中，施體原子將經由單個光學結構及/或多個光學結構及/或飛行光子耦合。圖5展示耦合兩個深雜質之一光學結構之實例。圖3展示耦合兩個深雜質之兩個光學結構之實例。本文中展示用以互換光子與量子位元之方法。 方法1100展示三個行為1102、1104及1106，但在某些實施方案中執行僅一個行為。在某些實施方案中，複數個經耦合量子位元包括具有複數個躍遷頻率之複數個施體原子。當每一量子位元與每一其他量子位元及一或多個光學結構近共振時；且當每一量子位元與每一光學結構接近(例如，在可與特性距離比較之距離內)時耦合該複數個量子位元。 方法1100通常藉由來自一控制器之調用而開始。在1102處，控制器致使類比電腦及/或量子輸入子系統調諧一光學結構(例如一光學共振器)。 不同調諧方法適合於(解)調變一光學結構以用於控制或校準目的，例如，將一施體原子耦合至該光學結構，或克服多個光學結構之間的共振頻率之變化。在某些實施方案中，一控制子系統經由接近於光學結構之電極注入電載子。舉例而言，電極與諸如半導體材料202之一基板接觸，且安置在一光學結構之任一側。 在某些實施方案中，量子資訊處理器包含用以使一半導體材料塊應變之一裝置。在某些實施方案中，應變施加至包含一光學結構之半導體材料。一控制子系統可導致包含一或多個光學結構及/或一或多個施體原子之半導體材料之一區之壓縮或拉伸(一般而言，應變)。當應變改變光學結構之特性尺寸(例如，共振幾何形狀)及/或性質時，存在光學結構之頻率(例如，共振器頻率)之一改變。應變亦可用於改變一施體原子之光學躍遷頻率。一半導體基板中之應變(例如，沿一個方向之應變)係對1s:A基態具有小效應但改變1s:Γ7激發態之能階及因此此等狀態之間的能量差的一機械力。參見圖8中之躍遷810。 在某些實施方案中，用以使半導體材料應變之裝置包含經由兩個電極電耦合至電源之壓電材料，諸如，鋯鈦酸鉛、鈦酸鋇或鈦酸鍶。一控制器使在兩個電極之間傳遞且穿過壓電材料之一電流變化，且使半導體材料應變。在某些實施方案中，該裝置包含用以使包含於光學結構中之半導體塊應變之微機電系統(MEMS)。 在某些實施方案中，量子資訊處理器包含一半導體塊中之靜態應變。結構層中之殘餘膜應力梯度引發一應變梯度。可藉由一壓電及/或MEMS抵消或加強該靜態應變。 在1104處，控制器致使類比電腦及/或量子輸入子系統調諧一半導體材料中之一第一雜質(例如，施體原子)集合。在某些實施方案中，該第一集合包含一個施體原子。在某些實施方案中，該第一集合包含複數個施體原子。在某些實施方案中，控制器經由一輸入子系統導致半導體材料中之應變以改變一施體原子之光學躍遷頻率。在某些實施方案中，控制器致使一輸入子系統施加一磁場以改變複數個施體原子之光學躍遷頻率。在某些實施方案中，控制器致使一輸入子系統操縱複數個施體原子之自旋狀態以改變其光學躍遷頻率。 在1106處，控制器致使類比電腦及/或量子輸入子系統調諧半導體材料中之一第二雜質(例如，施體原子)集合。該集合可係一或多個施體原子。控制器可經由應變及/或磁場實現調諧。藉由使用具有一空間梯度之一磁場，控制器可選擇且調諧特定施體原子。 在1108處，在一適合週期之後，控制器致使類比電腦及/或量子輸入子系統解調諧不共振之第一雜質集合、第二雜質集合及一或多個光學結構中之一或多者。該週期判定耦合。在實例中，若第一及第二施體原子集合包含一個施體原子，則該複數個量子位元之間的一相互作用係一時變係數與多量子位元對角線項之乘積。舉例而言，在兩個量子位元之情形中，耦合項可具有如下形式：
Figure 02_image041
其中
Figure 02_image043
係相互作用之哈密頓函數算子，
Figure 02_image047
係時變係數且
Figure 02_image051
表示第一施體原子之自旋算子(亦即，Σ-Z算子)之z分量與第二施體原子之自旋算子之z分量之間的一張量乘積。 圖12係圖解說明用以讀出施體原子之狀態之一方法1200之一實例性實施方案之一流程圖。方法1200係圖9之一實施行為910。對於方法1200，與本文中教示之其他方法一樣，可以不同於所圖解說明及闡述之次序之一次序執行各種行為。另外，方法可省略某些行為，及/或採用額外行為。可藉由或經由一或多個電路(例如一或多個硬體處理器)執行方法1200之一或多個行為。在某些實施方案中，藉由一控制器(例如，系統100之控制子系統104)執行方法1200。 在1202處，一控制器接收表示光學耦合至一雜質(例如，一施體原子)之一光學結構(例如，一光學共振器)可已接收一光子之一非零可能性的資訊。舉例而言，該光學共振器耦合至包含於一計算中之一施體原子。在1202之後，控制器可執行行為1204或行為1206。 在1204處，控制器經由一量子輸出子系統對光學結構(例如，光學共振器)中之光子之數目進行計數。可推斷耦合至光學結構之施體原子之狀態。 在1206處，控制器經由一量子輸出子系統藉由量測一以通信方式耦合之光學結構(例如，光學共振器)之光學頻率或其他光學特性而推斷施體原子之自旋狀態。在某些實施方案中，可藉由量測一以通信方式耦合之光學結構之光學頻率或其他光學特性而推斷多個施體原子之自旋狀態之同位。 施體原子之狀態影響光學結構之狀態(例如，頻率)。藉由致使光傳輸至一光學結構上且觀察光之反射及/或吸收，可推斷耦合至光學結構之任何一或多個施體原子之狀態。該光在一光學共振器之一共振下可係具有非平凡光譜密度之黑體光。該光可係匹配一施體原子及/或共振器之一或多個共振之窄光譜光。若光源頻率匹配共振器頻率，則將吸收且以其他方式反射光。若一所耦合施體原子之狀態影響一共振器之共振，則可自吸收及反射資料推斷施體原子之狀態。在各種實施方案中，一單個光子可用於推斷自旋量子位元狀態。在各種實施方案中，複數個光子可用於推斷自旋量子位元狀態。 在1208處，控制器傳回光子計數或頻率移位之結果。在某些實施方案中，控制器儲存光子計數或頻率移位之結果。 在某些實施方案中，讀出裝置及耦合器用於實施一量子資訊處理器上之一量子誤差校正碼。量子誤差校正碼可用於改良一量子電腦之效能。最近，表面碼已作為有用方法而出現。此等具有對實體量子位元中之誤差之高容限。表面碼具有大約1%之一容錯臨限值。亦即，若一閘模態量子計算中隨每一時間步長之一誤差之概率小於1%，則人們武斷地相信長計算係可能的。亦即，該碼將針對任何誤差進行校正。通常，在表面碼實施方案中，每一實體量子位元耦合至其最近相鄰者，從而形成一個二維柵格，其中一半為用於儲存量子資訊之量子位元、邏輯量子位元且另一半為用作輔助量子位元以進行誤差校正之量子位元。然而，若兩個量子位元經由一共振器或經由一波導耦合但彼此不接近，則表面碼可與邏輯上接近量子位元一起使用。 圖13A係圖解說明用以將一飛行量子位元(亦即光子)之一狀態轉換成一固定量子位元之一狀態之方法1300之一實施方案之一流程圖。 在1302處，量子資訊處理器在一光學結構(例如，共振器)處接收一光子。該光子可在諸如一量子位元間耦合器之一波導或諸如系統100之通道170之一量子通信通道中。該光學結構光學耦合至一半導體基板中之一施體原子。在某些實施方案中，該光子具有一第一量子狀態。 在1304處，量子資訊處理器形成一半導體基板中之一施體原子中之一第二量子狀態。在某些實施方案中，光子具有取決於第一量子狀態(例如，與狀態之間的映射相同、對應於該映射)之一第二量子狀態。亦即，量子資訊處理器係一光子記憶體。在此處，對應意味第一狀態及第二狀態在基礎狀態方面不同，但在各別基礎狀態之振幅方面對準。 圖13B係圖解說明用以將一固定量子位元之狀態轉換成一飛行量子位元中之一狀態之方法1350之一實施方案之一流程圖。 在1352處，量子資訊處理器形成一半導體基板中之一施體原子中之一第一量子狀態。該施體原子光學耦合至一光學結構，例如，波導。 在1354處，量子資訊處理器形成離開光學結構之一光子中之一第二量子狀態。在某些實施方案中，該光子具有取決於第一量子狀態之一第二量子狀態。亦即，量子資訊處理器可形成一飛行量子位元。在某些實施方案中，光子進入一光學結構，諸如一波導、透鏡或共振器。 施體原子可用於發射以通信方式耦合至一波導之光子。在某些實施方案中，可電觸發光子之發射。在某些實施方案中，可光學觸發光子之發射。在某些實施方案中，所發射光子將與複數個施體原子量子位元量子糾纏在一起。在某些實施方案中，光子將不與任何施體原子量子位元糾纏在一起。 一單個地電離之硫族元素施體原子具有多個電子軌道激發態，標記為近似一裸氫原子。此等能階包含1s、2s及2p。當在具有六個等效傳導帶穀之一矽晶格中時，1s能階進一步分裂成十二個能階。在遞減結合能量中列出，此等能階係：兩個用於1s:A基態；兩個用於1s:T2 (Γ7)能階；四個用於1s:T2 (Γ8)能階；且四個用於1s:E能階。在某些實施方案中，可將一施體原子及因此具有一類氫軌道之電子泵送至諸如2p之一較高激發態中。依據此激發態，電子經歷向下至1s:T2 (Γ7)之一串級程序，依據此其發射一光子以達到基態1s:A。以此方式，施體原子可充當一確定性單光子源。在某些實施方案中，直接將施體原子泵送至1s:T2 (Γ7)中且然後在某一特性延遲之後，施體將發射一光子。在某些實施方案中，施體原子直接耦合至一波導。在某些實施方案中，施體原子耦合至一共振器，該共振器又耦合至一波導。在某些實施方案中，所耦合光子結構匹配多個躍遷頻率。在某些實施方案中，所發射光子量子位元將擁有頻率、偏振及/或空間模態之一疊加，其狀態與施體原子量子糾纏在一起。自旋子至光子轉換： 存在自1s:A至1s:T2 (Γ7)之四個電子躍遷。此等躍遷中之兩者沿著一周圍磁場之方向線性偏振，且另外兩個躍遷負及正圓形偏振。在某些實施方案中，將施體原子自旋量子位元放置至線性偏振光學腔中。然後可藉由激發原子而將一輸入自旋疊加轉化成一光子。一旦經泵送至激發態中，其稍後將發射匹配輸入自旋狀態疊加之一頻率疊加中之一光子。在某些實施方案中，藉由將施體原子放置至手性光子組件(例如，一手性波導)中而將編碼於自旋量子位元中之資訊轉移至一空間模態中，此將相對圓形偏振光子引導至相對空間方向中。然後將光子發射至對應於輸入疊加自旋狀態之一路徑疊加中。在某些實施方案中，一自旋量子位元疊加使靠近於一入射光子之路徑之一光學共振器之頻率移位，此又引導、反射或相移入射光子以使其狀態與自旋量子位元之狀態糾纏在一起。在某些實施方案中，一頻率匹配之光子入射於一光子結構中之一施體原子上，其中吸收且稍後重新發射共振光，且僅僅反射非共振光子。輸出光子然後與量子位元之自旋狀態時間分格(time-bin)糾纏在一起。光子至自旋子轉換： 在某些實施方案中，可藉由用一單個光子填充一光學結構(例如，共振器)而發生光子至自旋子轉換。當一光子存在於一光學共振器中時，深雜質(例如，施體原子)之可用光學頻率根據傑恩斯-卡明思(Jaynes-Cummings)模型而改變。此意味可對基於光學共振器中之一光子之存在而選擇之電子自旋執行幾何操作，從而准許光子至自旋量子位元轉換。在某些實施方案中，可透過強非共振驅動(一「虛擬」程序)發生光子至自旋子轉換。若一單個光子之頻率藉由精確地電子自旋之能量分離而不同於一強泵束，則一大單個光子可用於使電子自旋子翻轉(以單個輸入光子之頻率為條件)。在某些實施方案中，一傳入光子量子位元可經歷量子隱形傳送至一自旋量子位元狀態中。可藉由共同對一傳入光子及與施體自旋量子位元糾纏在一起之一次級光子執行一同位量測而實施量子隱形傳送。柏塞爾 損耗： 藉由將一光學結構(例如，共振器)耦合至兩個自旋基態之一子集(例如，兩者中之一者)，避免歸因於光學結構或共振器之柏塞爾損耗。包含量子位元之量子裝置之狀態最終將在特性時間週期內衰減。兩個常見衰減機制係具有相關聯關係或T 1 時間之振幅或激發之放鬆。第二個係具有相關聯移相或T 2 時間之相位擾動。較長特性時間允許資訊儲存更久或執行更多量子操作。數個因數可促成衰減機制。針對一半導體基板中之一深雜質，基板自身可係一個去同調源。具有接近於量子位元頻率之頻率之一共振模態可致使量子位元衰減。此稱為柏塞爾損耗。 如先前所提及，深雜質(例如，施體原子)可用於發射以通信方式耦合至一波導之光子。再次考量圖1中之系統100。量子資訊處理器154可將一光子發射至量子資訊通道170 (一波導之一實例)中。一旦包含於量子資訊處理器154中之一雜質或一光學結構發射一光子，量子資訊通道170便可收集且傳輸光子。量子資訊通道170之實例包含光學纖維(亦稱光纖)及自由空間。 可發生逆程序。在某些實施方案中，吸收入射於一光學結構中之一深雜質上之一頻率匹配之光子。舉例而言，經由量子資訊通道170行進之一光子可經發射且引導至量子資訊處理器154。自量子資訊通道170發射之光子可由包含於量子資訊處理器154中或上之深雜質或光學結構收集。 量子資訊處理器154可以不同方式光學耦合至量子資訊通道170。舉例而言，光學耦合可係漸逝地耦合。考量圖7，一光源710沿用以與光學共振器706相互作用之波導708發送光。量子資訊處理器154或量子資訊通道170之一或多個表面之一或多個部分可包含一抗反射塗層或膜以更有效地收集或傳輸一或多個光子。光學纖維之一部分可塗佈有抗反射膜，例如，纖維之入射/出射光瞳之一範圍。一透鏡可安置在量子資訊通道170與量子資訊處理器154之間。在某些實施方案中，在量子資訊處理器154與量子資訊通道170之間移動之光子可由透鏡聚焦或引導。 量子資訊處理器154及系統100之其他部分可用作一單光子源。量子資訊處理器154中之一深雜質可充當一確定性單光子源。單光子源可係可銷售物件之部分、可係銷售物件，或產生可銷售物件，亦即，光子。在某些實施方案中，包含於量子資訊處理器154中之一深雜質由一光源(例如，包含於量子輸入子系統156中)直接泵送至1s:T2 (Γ7)狀態中且在某一特性延遲之後雜質將發射一光子。 一單光子源可在光學量子密碼系統(QCS)中，其中(舉例而言)一發送器及接收器建立共用秘密資訊。當將系統100操作為一QCS時，一發送器經由量子資訊通道170將一單光子串流傳輸至一接收器。舉例而言，系統100將光子發送至另一裝置。每一光子編碼一資訊位元。截取該串流之一竊聽者將與一或多個光子相互作用。此等所截取光子之狀態將與由該等光子編碼之資訊一樣而變更。因此，發送器及接收器可判定是否已截取其通信，且若未截取，則使用該通信來建立共用秘密資訊。 系統100之部分可使用共用秘密資訊來建立在機器(例如，計算機器及通信機器)之操作中使用之資訊。舉例而言，系統100可與一發送器相關聯且藉由使用通信作為至密碼本之一產生器之一種子而建立一密碼密鑰，舉例而言，一個一次性密碼本。舉例而言，系統100可與一接收器相關聯且執行定義一密鑰產生方法(例如，Blum Blum Shub方法、Yarrow方法等等)之處理器可執行指令。系統100之部分及一對應物系統(圖1中未展示)可使用一虛擬專用網路之一密鑰一致性協定中之共用秘密資訊。應用程式指令126包含在經執行時致使系統100使用系統100之部分作為一通信裝置以產生一種子、密鑰、臨時值(nonce)、雜湊等等之處理器可執行指令。 系統100之部分、單光子源可用作一隨機數產生器。一隨機數產生器可用於生成一偽隨機數產生器；以建立初始化向量、雜湊函數之參數、臨時值、鹽或密鑰等等。數位電腦102可經由量子輸入子系統156及量子輸出子系統158與量子資訊處理器154相互作用以建立一或多個隨機數。數位電腦102可產生包含表示一或多個隨機數之資訊之一信號。數位電腦102經由控制子系統104可致使經由網路介面子系統110及一網路或非網路通信通道(未展示)傳輸表示一或多個隨機數之資訊。可經由量子資訊通道170發送表示一或多個隨機數之資訊。數位電腦102經由控制子系統104可致使表示一或多個隨機數之資訊作為處理器可讀資訊儲存於至少一個非暫時性電腦與處理器可讀儲存裝置108上。 可超出隨機數及密碼學之範圍而使用包含或操作為一單光子源之系統100之部分。一單光子源可係光學裝置、光譜學及計量學之一低雜訊源。諸多光源以隨機地波動從而限制其效用之速率發射光子。此不確定性稱為抖動。以規則時間間隔產生光子之一單光子源可具有經減少抖動。 與本文中之例示性系統、裝置、方法及物件一致，一處理器可致使資訊透過一通信通道(例如，光學纖維、纖維、網路或非網路通信通道)傳輸。在發送器與接收器之間的一較長分離之情形中或在一網路化通信通道之情形中，將系統100之部分操作為一量子中繼器係有用的。在某些實施方案中，一量子中繼器提供光子至原子量子位元互換。本文中至少在圖9及圖13處闡述用以互換固定量子位元(例如，固態)與飛行量子位元(例如，光子)之方法之實例。在一量子中繼器之操作中，將一飛行量子位元(亦即，光子)之一狀態轉換為一固定量子位元之一狀態。舉例而言，參見圖13A中所圖解說明之方法1300。然後將固定量子位元之狀態轉換成一飛行量子位元之一狀態。舉例而言，參見圖13B中所圖解說明之方法1350。 可根據在腔量子電動力學(腔QED)領域開發之方法操作或引導本文中所闡述之例示性系統及裝置。腔QED涉及單原子與單電磁場模態或其等之複數個之相互作用。考量與一單電磁場模態相互作用之一雙能階原子。該系統可經模型化為不相互作用雙能階原子、電磁場模態、其等之相互作用及其等至一環境之一耦合之哈密頓函數。使用眾所周知之近似法(例如，偶極與旋轉波)，傑恩斯-卡明思哈密頓函數係用分析法可解的。進一步地，哈密頓函數之狀態可限於四(4)個狀態：原子之基態或激發態，及包含n或n+1個光子之電磁場模態。可經由來自原子或電磁場模態之自發發射發生與環境之相互作用。當相關聯衰減率小於一單光子拉比頻率時，然後可發生同調演化。某些量子電腦利用同調演化作為一計算資源。 考量圖2之例示性施體原子204。施體原子204可包含單個地電離之施體77Se+及束縛於單個地電離之施體之一單個電子。在零磁場下，超精細相互作用將施體原子204基態自旋能階分裂成電子-核自旋單態及三重態狀態。參見圖8。在可用於施體原子之諸多光學躍遷當中，至最低激發態1s:T2:Γ7之激發具有適合性質。參見本文中至少在圖13處之論述。在某些實施方案中，半導體材料202沿三個方向延伸數毫米至數十毫米且包括28Si:77Se+，其中殘餘29Si為百萬分之75且77Se之施體密度為5×10-21 m−3 。此一樣本展示2.9 µm之一躍遷1s:A至/自1s:Γ7，一光學躍遷，且已良好地表徵至多0.007 cm-1 之線寬度。在某些實施方案中，資訊處理器200可經模型化為施體原子204與光學共振器206之間的一強耦合。舉例而言，施體原子204係放置在光學共振器206之模態最大值處具有匹配施體原子204之1s:A至/自1s:Γ7躍遷之一共振頻率的一77Se+離子。 諸如環境子系統152之一環境子系統可以最大化施體原子204與光學共振器206之間的耦合之一強度及方向施加一磁場。對於一資訊處理器，如資訊處理器200，多個基態與激發態之間的躍遷頻率一般彼此不同，且根據一所施加磁場而移位。因此，可取決於原子之自旋狀態而選擇性地耦合或解耦施體原子204及光學共振器206。 當施加一磁場時，自旋基態及激發態以不同發散速率分裂。參見圖8且注意1s:T2(Γ7)、(1s:A1狀態之)單態及三重態狀態如何以在軸804上表示之所施加磁場之不同能階分裂(具有在軸802上展示之不同能量)。 對於一資訊處理器，如資訊處理器200，多個基態與激發態之間的躍遷頻率一般彼此不同，且根據一所施加磁場而移位。因此，可取決於原子之自旋狀態而選擇性地耦合或解耦施體原子204及光學共振器206。 可透過電場、磁場或機械應變之施加動態地調整深雜質與光學結構(例如，施體原子204與光學共振器206)之共振及選擇性耦合。可用磁場、電場或機械應變控制個別雜質或光學結構之特性(舉例而言，其頻率及耦合強度)或個別雜質或光學結構之相互作用。 在某些實施方案中，一量子資訊處理器包含具有一光學躍遷之一或多個施體原子。一例示性施體係一非氣態穩定硫族元素原子。該施體可具有一非零核自旋，舉例而言，某些硫族元素核同位素具有一非零自旋，諸如33S (自旋-3/2)、77Se (自旋-1/2)以及123Te及125Te (兩個自旋-1/2)。此等施體原子之基態具有與V族(15族)施體相同之自旋哈密頓函數，但具有分別大約312 MHz、1.66 GHz、2.90 GHz及3.50 GHz之大得多之超精細常數A 。 在某些實施方案中，一深雜質及電子因此可具有一類氫軌道，亦即，28Si:77Se+之一「1s」類氫歧管。當在具有六個等效傳導帶穀之一矽晶格中時，1s能階進一步分裂成十二個能階。 在某些實施方案中，一量子資訊處理器包含一或多個施體原子，亦即，一雙重施體。當單個地電離時，一雙重施體具有甚至更大結合能量(S+之614 meV、Se+之593 meV及Te+之411 meV)及具有中紅外(「中IR」)中之光學躍遷之一類氫(或He+)軌道結構。在28Si:77Se+中，自旋基態與最低激發態之間的光學躍遷係充分窄的以係甚至在極低或零磁場下選擇之自旋。非氣態穩定硫族元素原子之實例包含中性、電離及雙重電離之原子，例如，S0 (~300 meV)、Se0 (~300 meV)、Te0 (~300 meV)、Se+ (593 meV)、S+ (614 meV)、Se+ (593 meV)、Te+ (411 meV)、S++ 、Se++ 及Te++ 。正如深施體之單個地電離之電荷狀態可耦合至光學結構，中性(例如，不帶電)帶電深雙重施體亦容許至激發態之適合地窄之光學躍遷，且此等躍遷類似地能夠強烈地耦合至光學結構。可採用雙重電離之原子作為核自旋量子位元且接近光學結構可與一雙重電離之電荷狀態相互作用。在某些實施方案中，僅一個特定電荷狀態用於定義量子位元。在某些實施方案中，複數個電荷狀態用於定義量子位元。 深雜質之實例包含金屬群集，諸如四個原子之群集，例如，Cu4 (1014 meV)、Cu3 Ag (944 meV)、Cu2 Ag2 (867 meV)、Cu3 Pt (884 meV)、Cu3 Pt (882.36 meV)、Cu2 LiPt (850.1 meV)、CuLi2 Pt (827.6 meV)、Li3 Pt (814.9 meV)、Ag4 (778 meV)、Li3 Au (765.3 meV)、CuLi2 Au (746.7 meV)、Cu3 Au (735 meV)及Cu2 LiAu (735.2 meV)。一深雜質之實例包含一金屬群集，諸如五個原子之群集，例如，CuLi3 (Au) (1090.2 meV)、Cu4 Au (1066 meV)、Cu3 LiAu (1052.7 meV)、CuLi2 Ag (909.9 meV)、Cu4 Pt (777 meV)、Cu2 Li2 Pt (694.6 meV)、Cu3 LiPt (725.6 meV)及CuLi3 Pt (671.6 meV)。深雜質之實例包含選自躍遷金屬之金屬原子或金屬群集，例如，包含銅、銀、金或鉑之群集。在某些實施方案中，一躍遷金屬係來自週期表上之d區塊或3至12族之一金屬。在某些實施方案中，一躍遷金屬包含選自f區塊或鑭系元素及錒系元素之一金屬。 深雜質之實例包含I及II族(1及2族)原子或群集，諸如一2族雙重施體(例如，Mg+ (256.5 meV)、Mg0 (107.5 meV)及Be)或一1族施體(例如，Li0 及Li+ )。施體之實例包含化合物及群集，包含上文所闡述之彼等。施體之實例包含硫及銅，舉例而言，所謂的SA (968 meV)及SB (812 meV)中心。 如本文中所闡述，如施體原子204之一深雜質可在對應於商購光學發射器、雷射、偵測器、鏡等等之波長之方便波長中具有一躍遷。在某些實施方案中，該波長對應於中IR波長。各種實施方案可包含且利用一雷射，該雷射可以在包含於半導體基板中之雜質之光學躍遷處或附近之一波長發射光。舉例而言，量子輸入子系統156包含一光源。各種實施方案可包含且利用具有可變波長或固定波長之一雷射。各種實施方案之適合雷射包含以下類型及波長：AlGaInP (0.63至0.9 μm)、垂直腔表面發射雷射(VCSEL) (GaAs-AlGaAs) (0.6至1.3 μm)、Nd:YAG (1.064至1.064 μm)、VCSEL (0.85至1.5 μm)、Cr:Mg2 SiO4 (1.23至1.27 μm)、InGaAs (1.1至1.7 μm)、拉曼(1至2 μm)、InGaAsP (1至2.1 μm)、AlGaIn/AsSb (~2 μm)、經染料拉曼移位(0.9至4.5 μm)、HF化學物(2.7至2.9 μm)、Cr:ZnSe/S (1.9至2.6 μm)、XeHe (2至4 μm)、量子串級雷射(2.63至250 μm)、鉛鹽(3至20 μm)、混合矽(3至30 μm)、GaInAsSb (3至30 μm)、光學參數振盪器(OPO) (3至1000 μm)及CO (雙重的) (4.6至5.8 μm)。 在某些實施方案中，光學讀出儲存於一深雜質之狀態中之資訊。半導體基板中之一深雜質在一電場內之不同電子狀態(包含不同自旋狀態)與不同自旋或電荷分佈相關聯。此等不同分佈影響一接近光學結構之性質。對接近光學結構之光學量測(例如，本文中至少在圖7處所闡述)允許一深雜質之電子狀態之量測。 圖14根據本發明系統、裝置、方法及物件示意性地圖解說明複數個能階1400。對照能量之一軸1402標繪該複數個能階1400。沿圖14之水平方向標繪一系列激發態。複數個能階1400包含一所耦合系統(包含一深雜質及一光學結構)之傑恩斯-卡明思階梯1404。在傑恩斯-卡明思階梯1404中，標繪光學結構中之光子之數目。注意，能階在n = 2之後接續。在傑恩斯-卡明思階梯1404中，光學結構中之一個光子及光學結構中之兩個光子之能階相差光學結構之共振頻率，
Figure 02_image053
。 傑恩斯-卡明思階梯1404允許1s:A基態與1s:Γ7激發態之間的具有經對準能階之共振躍遷。亦即，若無有效磁場施加至深雜質，則存在零超精細相互作用以分裂基態(例如，原子係一核自旋-零同位素)。躍遷大致為相同能量。構成本徵態混合生成。舉例而言，參見傑恩斯-卡明思階梯1404中之n = 2之實線及1s:Γ7激發態1406之能階。此等針對一共振躍遷匹配或實質上匹配。 控制器可經由一輸入子系統將一磁場施加至一深雜質。當將一磁場施加至深雜質時，傑恩斯-卡明思階梯1404中之狀態分裂成向上及向下自旋狀態，例如，向下自旋狀態1410。自旋基態及激發態以不同g因數分裂。參見n = 2處針對1s:A及1s:Γ7狀態之長度尺度，其中一個分裂係另一分裂之二分之一。在硒-77中，基態藉由g A » 2.01分裂而激發態1s:Γ7藉由g Γ7 » 0.64分裂。在圖14中，用由兩個點跟隨之長破折號表示在一磁場下分裂及/或移位之能階。對於1s:Γ7激發態1406，磁場之施加使狀態之能階移動。基態及激發態中之能階不再匹配或實質上匹配。舉例而言，狀態1412之能量不匹配狀態1414之能量。 一控制器經由一輸入子系統可調諧一激發態之能階。該控制器可使該等能階移位Dw，參見移位1416。該控制器可藉由將一電場及/或應變施加至半導體基板或使該電場及/或應變變化而使能階移位為一激發態(例如，1s:Γ7狀態)。本文中至少關於圖1、圖2及圖8闡述用以將電場或應變施加至一半導體基板之一或多個部分之裝置。在圖14中，用由一個點跟隨之長破折號表示在一電場或應變下移位之能階。在此處，在Dw之一移位之後，能階對準。舉例而言，參見能階1418。在圖14中，儘管在共振中展示向下狀態(參見能階1418集合)，但可使向上狀態在共振中。該控制器可使能階移位為一激發態以計及一深雜質之躍遷頻率與光學結構之共振頻率之間的一不匹配。 所得強耦合條件與能階1408自旋相依。自旋相依腔耦合允許一控制器經由一輸出系統進行接近或高於4.2 K之一單發單自旋讀出。自旋相依光學結構耦合允許在不具有雜質之光學激發之情況下讀出。舉例而言，在某些實施方案中，若深雜質之電子自旋在非耦合基態中(例如，向上)，則光學結構將傳輸匹配光學結構之共振頻率(在此處為ωC )之任何光-共振光。相反地，若電子自旋在耦合基態中(例如，向下)，腔將以頻率ωC 反射共振光，此乃因在此系統組態中，彼頻率不再係共振的。躍遷1420及1422圖解說明程序之部分。躍遷1420係耦合的。躍遷1422係非耦合的。 在某些實施方案中，當深雜質之電子自旋在非耦合基態中時，光學結構將反射共振光。相反地，當電子自旋在耦合基態中時傳輸共振光。大量光子可用於推斷光學結構之回應而不激發深雜質系統或經耦合光學結構-深雜質系統中之一非共振躍遷。 圖15係圖解說明包含複數個深雜質1504及一波導1506之一量子資訊處理裝置1500之一例示性部分之一區段之一示意圖。量子資訊裝置1500包含一半導體基板1502。該複數個深雜質1504-1、1504-2、1504-3、1504-4及1504-4 (統稱為1504)安置在半導體基板1502內。波導1506 (一光學結構之一實例)支援能夠支援複數個傳播模態頻率之一傳播模態。複數個深雜質1504經由傳播模態光學耦合至波導1506。在所圖解說明實例中，距離1508-1及1508-2係大約波導之模態之波長λ。複數個深雜質1504中之每一深雜質可放置在波導1506中之傳播模態之一腹點處或附近。波導1506係沿著由其實體結構界定之一路徑約束或引導電磁波之一裝置。波導1516可界定在基板1502內或上。光可傳播穿過波導1516且耦合至複數個深雜質1504-1、1504-2、1504-3、1504-4及1504-4。 以下實例中總結進一步實施方案。 實例1：一種量子資訊處理裝置，其包括：一半導體基板；一或多個深雜質，其安置在該半導體基板內，其中該等深雜質中之每一者由對應於該深雜質之不同電子或核自旋狀態且表示量子位元資訊之複數個量子狀態表徵；一或多個光學結構，其與該半導體基板整合在一起或耦合至該半導體基板，每一光學結構具有表示光學結構資訊之一特性模態頻率及一光學狀態；及一第一深雜質，其光學耦合至一第一光學結構，該第一深雜質具有一第一對該複數個量子狀態之間的一第一躍遷頻率，該第一躍遷頻率匹配該第一光學結構之一第一特性模態頻率，其中該第一光學結構光學耦合該量子位元資訊與該光學結構資訊。 實例2：如實例1之裝置，其中該光學結構之該特性模態頻率係一共振模態頻率。 實例3：如實例1之裝置，其中該第一光學結構之該特性模態頻率係一傳播模態頻率。 實例4：如實例1至2中任一項之裝置，其中該第一光學結構係具有一第一光子模態之一第一光學共振器，該第一光子模態具有作為一第一共振器頻率之該特性模態頻率。 實例5：如實例1至4中任一項之裝置，其中該第一對該複數個量子狀態包含一第一量子狀態及一第二量子狀態，且該第一躍遷頻率對應於該複數個量子狀態中之第一量子狀態與一第二量子狀態之間的一光學躍遷。 實例6：如實例1至5中任一項之裝置，其中該深雜質係一非氣態硫族元素原子。 實例7：如實例1至6中任一項之裝置，其中該裝置進一步包括：具有具一第二特性模態頻率之一第二模態之一第二光學結構及耦合至該第二光學結構之一第二深雜質，該第二深雜質具有一第二對能階之間的一第二躍遷頻率，且該第二躍遷頻率匹配該第二特性模態頻率。 實例8：如實例7之裝置，其中該第二光學結構在距該第一光學共振器一距離處，該距離小於一特性衰減長度λ/n 之大約二十倍，其中λ係第一光子模態波長且n 係該半導體基板之折射率。 實例9：如實例7及8中任一項之裝置，其中：該第二光學結構之至少一部分插置在該第一深雜質與該第二深雜質之間，或該第一深雜質及該第二深雜質安置在該第二光學結構內。 實例10：如實例1至9中任一項之裝置，其進一步包括騎跨該第一光學結構放置以將一電場施加至該第一光學結構之一對電極。 實例11：如實例1至10中任一項之裝置，其進一步包括光學耦合至該第一光學結構以光學探測該第一光學結構之一光學狀態之一波導。 實例12：一種用於包含與一半導體基板整合在一起之一或多個光學結構之一量子資訊處理器之操作方法，複數個深雜質安置在該半導體基板中，且其中該等深雜質中之每一者由對應於該深雜質之不同電子或核自旋狀態且表示量子資訊之複數個量子狀態表徵，該方法包括：將該複數個深雜質中之一第一深雜質初始化至一第一基準狀態；將該複數個深雜質中之一第二深雜質初始化至該第一基準狀態；致使接近於該第一深雜質及該第二第一深雜質之一光學結構與該第一深雜質及該第二深雜質共振；及量測該光學結構之一光學狀態作為由該第一深雜質及該第二深雜質之該等量子狀態表示之該資訊之一度量。 實例13：如實例12之方法，其中該第一深雜質係一雙重施體，且該方法進一步包括將該第一深雜質電離至一單個地電離之狀態。 實例14：如實例12及13中任一項之方法，其中初始化該複數個深雜質中之該第一深雜質進一步包括將該複數個深雜質中之該第一深雜質初始化至以下各項中之至少一者：一核自旋狀態，其作為該第一深雜質之一第二基準狀態；一電子自旋狀態，其作為該第一深雜質之一第三基準狀態；及一經組合電子自旋與核自旋狀態，其作為該第一深雜質之一第四基準狀態。 實例15：如實例12至14中任一項之方法，其中該光學結構係具有具一第一共振器頻率之一第一光子模態之一第一光學共振器。 實例16：如實例12至15中任一項之方法，其中該光學結構係載送量子資訊之具有一或多個傳播模態及頻率之一光學波導。 實例17：如實例12至16中任一項之方法，其中另一光學結構接近於該第二深雜質，該方法進一步包括：將該另一光學結構調諧為與該光學結構、該第一深雜質及該第二深雜質共振。 實例18：如實例12至17中任一項之方法，其中致使接近於該第一深雜質及該第二深雜質之該光學結構與該第一深雜質及該第二深雜質共振進一步包括：將該第一深雜質朝向匹配該光學結構之一共振頻率之一躍遷頻率調諧。 實例19：如實例12至18中任一項之方法，其中致使接近於該第一深雜質及該第二深雜質之該光學結構與該第一深雜質及該第二深雜質共振進一步包括：將具有一空間梯度之一磁場施加至該第一深雜質及該第二深雜質，其中該磁場在該第一深雜質處具有一第一值，且在該第二深雜質處具有一第二值。 實例20：如實例12至19中任一項之方法， 其中致使接近於該第一深雜質及該第二深雜質之該光學結構與該第一深雜質及該第二深雜質共振進一步包括：將一力施加至該半導體基板以修改接近於該光學結構之該半導體基板中之應變。 實例21：如實例12至20中任一項之方法，其中致使接近於該第一深雜質及該第二深雜質之該光學結構與該第一深雜質及該第二深雜質共振進一步包括：將複數個載子注入至接近於該光學結構之該半導體基板中以電子地耦合該第一深雜質與該第二深雜質。 實例22：如實例12至21中任一項之方法，其進一步包括：將一脈衝磁場施加至該第一深雜質以改變該第一深雜質之一狀態。 實例23：如實例12至22中任一項之方法，其中量測該光學結構之該狀態進一步包括：量測一光子在該光學結構中之存在或不存在。 實例24：如實例12至22中任一項之方法，其中量測該光學結構之該狀態進一步包括：量測該光學結構之一共振頻率中之一頻率移位。 實例25：一種用於包含植入於一半導體基板中之一施體原子之一量子資訊處理器之操作方法，該方法包括：將該施體原子初始化於一基準狀態中；施加一脈衝電磁場以改變該第一施體原子之一狀態；致使接近於該施體原子之一光學結構與該施體原子光學共振；及量測該光學結構之一狀態。 實例26：如實例25之方法，其中該施體原子係一雙重施體，該方法進一步包括：電離該施體原子以形成一單個地電離之施體原子。 實例27：如實例25或26之方法，其進一步包括：將一正電壓施加至上覆於該半導體基板及該施體原子上之一電極以改變該施體原子之一狀態。 實例28：如實例25至27之方法，其中該第一施體原子具有躍遷頻率，且致使接近於該施體原子之該光學結構與該第一施體原子光學共振進一步包括：將該第一施體原子之該躍遷頻率朝向匹配該光學結構之一共振頻率之一頻率調諧。 實例29：如實例25至28中任一項之方法，其中致使接近於該施體原子之該光學結構與該第一施體原子光學共振進一步包括：將一力施加至該半導體基板以修改該光學結構之一共振幾何形狀或該第一施體原子之一躍遷頻率。 實例30：如實例25至29中任一項之方法，其中致使接近於該施體原子之該光學結構與該第一施體原子光學共振包含：將複數個載子注入至接近於該光學結構之該半導體基板中以修改該光學結構中之一共振頻率。 實例31：如實例25至30中任一項之方法，其中量測該光學結構之該狀態進一步包括：量測一光子在該光學結構中之存在或不存在，或量測該光學結構之一共振頻率中之一頻率移位。 實例32：一種用於包含安置於一半導體基板中之一深雜質之一量子資訊處理器之操作方法，其中該深雜質具有表示資訊之兩個或兩個以上不同量子狀態。該方法包括：在光學耦合至該深雜質之一光學結構處接收具有一第一量子狀態之一第一光子；且取決於該光學結構處之該第一量子狀態而形成該深雜質中之一第二量子狀態。 實例33：如實例32之方法，其進一步包括：在該光學結構處取決於該深雜質中之該第二量子狀態而形成具有一第三量子狀態之一第二光子；及致使發射具有該第三量子狀態之該第二光子。 實例34：如實例33之方法，其中致使發射具有該第三量子狀態之該第二光子進一步包括：光學或電觸發該第二光子經發射。 實例35：如實例32之方法，其中該量子資訊處理器係一光子記憶體。 實例36：一種用於包含安置於一半導體基板中之一深雜質之一量子資訊處理器之操作方法，其中該深雜質具有表示資訊之一或多個不同量子狀態，該方法包括：形成該半導體基板中之該深雜質之一第一量子狀態；將該深雜質光學耦合至一光學結構；及在該光學結構處取決於該深雜質中之該第一量子狀態而形成具有一第二量子狀態之一光子。 實例37：如實例36之方法，其進一步包括：將該光學結構光學耦合至一波導；及在該光學結構處致使具有該第二量子狀態之該光子發射至該波導中。 實例38：如實例37之方法，其中致使具有該第二量子狀態之該光子發射至該波導中進一步包括：光學或電觸發該第二光子經發射。 實例39：如實例37或38中任一項之方法，其中該量子資訊處理器係一單光子源。 實例40：一種量子資訊處理系統，其包括：一基於處理器之裝置，其包含至少一個處理器；一量子資訊處理器，其中該量子資訊處理器包含一半導體基板，複數個非氣態硫族元素施體原子安置在該半導體基板內，其中該複數個非氣態硫族元素施體原子中之一第一各別施體原子具有具一第一躍遷頻率之一第一躍遷，且複數個光學共振器實體地耦合該半導體基板，其中該複數個光學共振器中之一第一各別光學共振器選擇性地耦合至該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別施體原子；及複數個通信線路，其提供該基於處理器之裝置與該量子資訊處理器之間的通信。 實例41：如實例40之系統，其中：該複數個非氣態硫族元素施體原子包含一第二各別施體原子；該複數個光學共振器中之該第一各別光學共振器具有一第一共振器頻率；該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第二各別施體原子選擇性地耦合至該第一各別光學共振器且具有具一第二躍遷頻率之一第二躍遷；且該第一共振器頻率匹配該第一躍遷頻率及該第二躍遷頻率。 實例42：如實例40或41之系統，其中：該複數個光學共振器進一步包含具有一第二共振器頻率之一第二各別光學共振器；該第二各別光學共振器選擇性地耦合至該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第二各別施體原子；該第二躍遷頻率匹配該第二共振器頻率；且該第一共振器頻率匹配該第二共振器頻率。 實例43：如實例40至42中任一項之系統，其中該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別施體原子安置在該半導體基板中大於十奈米之一深度處。 實例44：如實例40至43中任一項之系統，其中該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別施體原子係具有實質上大於在室溫下之熱能kB T 之一電離能量的一深位準施體。 實例45：如實例40至44中任一項之系統，其進一步包括控制該量子資訊處理器在其中操作之一環境之參數之一環境子系統，該等參數包含濕度、空氣壓力、振動、磁場、溫度及電磁場中之一或多者。 實例46：如實例40至45中任一項之系統，其進一步包括：至少一個古典通信通道，其與該至少一個處理器通信；及一網路介面子系統，其在操作時支援處理器可讀資料透過該至少一個古典通信通道之雙向通信。 實例47：如實例40至46中任一項之系統，其進一步包括：一波導，其光學耦合至安置在該半導體基板內之該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別非氣態硫族元素施體原子。 實例48：如實例40至47中任一項之系統，其中該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別非氣態硫族元素施體原子具有經識別為電子自旋狀態、核自旋狀態及經組合電子與核自旋狀態之複數個能階或狀態，且其中一選定對該複數個能階或狀態經指定為該第一各別非氣態硫族元素施體原子之一對計算狀態。 實例49：如實例40至48中任一項之系統，其中：該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別非氣態硫族元素施體原子包含一對計算狀態；且該對計算狀態選自由以下各項組成之群組：該第一各別非氣態硫族元素施體原子之一核自旋狀態之一第一值及該第一各別非氣態硫族元素施體原子之該核自旋狀態之一第二值；該第一各別非氣態硫族元素施體原子之一電子自旋狀態之一第一值及該第一各別非氣態硫族元素施體原子之該電子自旋之一第二值；以及該第一各別非氣態硫族元素施體原子之一核自旋與一電子自旋之一第一值，及該第一各別非氣態硫族元素施體原子之該核自旋與該電子自旋之複數個值，其中該核自旋與該電子自旋之該第一值係一單態狀態，且該各別非氣態硫族元素施體原子之該核自旋與該電子自旋之該複數個值係三態狀態。 實例50：如實例40至49中任一項之系統，其進一步包括與該至少一個處理器及量子資訊處理器通信之一量子輸入子系統。 實例51：如實例50之系統，其中該量子輸入子系統包含接近於安置在該半導體基板內之該第一各別非氣態硫族元素施體原子之一對電極；且其中該至少一個處理器致使該量子輸入子系統經由該複數個通信線路及該對電極將一電場施加至安置在該半導體基板內之該第一各別非氣態硫族元素施體原子。 實例52：如實例50至51中任一項之系統，其中該量子輸入子系統包含：一對電極，其接近於量子資訊處理器之一或多個部分安置；且其中該至少一個處理器致使該量子輸入子系統經由該複數個通信線路及該對電極改變至量子資訊處理器之一或多個部分之電載子之一數目。 實例53：如實例50至52中任一項之系統，其中量子資訊處理器之該一或多個部分包含該複數個光學共振器中之該第一各別光學共振器。 實例54：如實例50至53中任一項之系統，其中量子資訊處理器之該一或多個部分包含安置在該半導體基板內之該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別非氣態硫族元素施體原子。 實例55：如實例50至54中任一項之系統，其中該量子輸入子系統包含接近於該量子資訊處理器之一電磁鐵；且其中該至少一個處理器經由該複數個通信線路致使該量子輸入子系統經由該複數個通信線路及該電磁鐵將一磁場施加至量子資訊處理器之一或多個部分。 實例56：如實例40至55中任一項之系統，其中：量子資訊處理器之該一或多個部分包含安置在該半導體基板內之該複數個非氣態硫族元素施體原子；且該磁場包含在該複數個非氣態硫族元素施體原子之一空間範圍內之一空間梯度。 實例57：如實例56之系統，其中該磁場改變該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別施體原子之該第一躍遷及該第一躍遷頻率。 實例58：如實例40至57中任一項之系統，其中：該複數個非氣態硫族元素施體原子包含複數個核自旋子；該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別非氣態硫族元素施體原子包含該複數個核自旋子中之一第一各別核自旋子；該第一各別核自旋子包含一第一核共振頻率；且針對在對應於該核共振頻率之一速率下具有一正弦暫時振盪的該複數個核自旋子中之該第一各別核自旋子沿一橫向方向施加該磁場。 實例59：如實例40至58中任一項之系統，其進一步包括：嵌入於該半導體基板中之可變長度之一裝置，其中該至少一個處理器經由該量子輸入子系統及該複數個通信線路而致使可變長度之該裝置改變一應變對該半導體基板之一接近區之長度影響。 實例60：如實例40至59中任一項之系統，其中半導體基板之該接近區域包含以下各項中之至少一者：安置在該半導體基板內之該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別非氣態硫族元素施體原子；及選擇性地耦合至該複數個非氣態硫族元素施體原子中之該第一各別施體原子的該複數個光學共振器中之該第一各別光學共振器。 實例61：如實例40至60中任一項之系統，其中可變長度之該裝置係一壓電材料裝置或一微機電系統。 實例62：如實例40至61中任一項之系統，其中該至少一個處理器致使該量子輸入子系統將一或多個磁共振控制操作應用於安置在該半導體基板內之該複數個非氣態硫族元素施體原子中之一或多個非氣態硫族元素施體原子。 實例63：如實例40至62中任一項之系統，其中該一或多個磁共振控制操作包含以下各項中之一或多者：一電子自旋共振操作；一核磁共振操作；一單量子位元操作；及一多量子位元操作。 實例64：如實例40至63中任一項之系統，其進一步包括與該至少一個處理器通信之一量子輸出子系統。 實例65：如實例40至64中任一項之系統，其中該至少一個處理器致使該量子輸出子系統量測安置在該半導體基板內之該複數個非氣態硫族元素施體原子中之一或多個非氣態硫族元素施體原子之一狀態。 實例66：如實例40至65中任一項之系統，其中該量子輸出子系統包含一光學量測裝置，且該至少一個處理器致使該光學量測裝置量測實體地耦合該半導體基板之該複數個光學共振器中之該第一各別光學共振器之一狀態。 實例67：如實例40至66中任一項之系統，其中該光學量測裝置量測實體地耦合該半導體基板之該複數個光學共振器中之該第一各別光學共振器之該第一共振器頻率之一頻率移位。 實例68：如實例40至67中任一項之系統，其中該光學量測裝置量測一光子在實體地耦合該半導體基板之該複數個光學共振器中之該第一各別光學共振器中之一存在或不存在。 實例69：一種資訊處理裝置，其包括：一半導體基板；一第一深雜質，其安置在該半導體基板內，其中該第一深雜質具有一第一基礎狀態、一第二基礎狀態及該第一基礎狀態與該第二基礎狀態之間的一光學躍遷；及一第一光學結構，其實體地耦合該半導體基板，光學耦合至該第一深雜質。 實例70：如實例69之裝置，其中該深雜質具有實質上大於在室溫下之該熱能kB T 之一電離能量。 實例71：如實例69或70之裝置，其中該深雜質係一穩定非氣態硫族元素原子。 實例72：如實例71之裝置，其中該穩定非氣態硫族元素原子係一硫原子、一硒原子或一碲原子。 實例73：如實例69至72中任一項之裝置，其中該深位準施體係一金屬原子或一金屬群集。 實例74：如實例73之裝置，其中該金屬原子係一躍遷金屬元素。 實例75：如實例73之裝置，其中該金屬原子係一鋰原子、鈹原子或一鎂原子。 實例76：如實例73之裝置， 其中該金屬群集本質上由四個原子或五個原子構成。 實例77：如實例73或76中任一項之裝置，其中該金屬群集包含選自由以下各項組成之群組之一或多個原子：銅、銀、金及鉑。 實例78：如實例69至73、76或77中任一項之裝置，其中該深雜質包含銅及硫。 實例79：如實例69至73、76、77或78中任一項之裝置，其中該深雜質係一SA 中心或一SB 中心。 實例80：如實例69至79中任一項之裝置，其中該半導體基板由包含95%以上非順磁矽同位素之矽製成。 實例81：如實例69至80中任一項之裝置，其中該半導體基板包含碳化矽或矽鍺。 實例82：如實例69至81中任一項之裝置，其中該第一基礎狀態或該第二基礎狀態係電子自旋狀態、核自旋狀態及經組合電子與核自旋狀態。 實例83：如實例69至82中任一項之裝置，其進一步包括安置在該半導體基板內之一受體。 實例84：如實例83之裝置，其中該受體係硼、鋁、鎵或銦。 除非本文中另有規定或除非內容脈絡另有清楚地指示，否則術語大約修改一數值數量意味加或減百分之十(10)。除非另有規定或除非內容脈絡另有指示，否則在兩個數值之間將被解讀為在該兩個數值之間且包含該兩個數值。 在上文說明中，包含某些具體細節以提供對各種所揭示實施方案之一理解。然而，熟習此項技術者將認識到，可在不具有此等具體細節、一方法之部分、組件、材料等中之一或多者之情況下實踐實施方案。在某些例項中，未詳細展示或闡述與半導體及/或光學裝置及/或量子計算及/或量子資訊處理相關聯之眾所周知之結構(諸如目標、基板、透鏡、波導、屏蔽物、濾波器、雷射、處理器可執行指令(例如，BIOS、驅動程式))以避免不必要地模糊對所揭示實施方案之說明。 在此說明書及隨附申請專利範圍中，在結合該實施例、實例或實施方案闡述之一特定參考特徵、結構或特性包含於至少一項實施例、實例或實施方案中之意義上使用應用於「實施例」、「實例」或「實施方案」之「一(a及an)」、「一個」或「另一」。因此，如「在一項實施例中」、「在一實施例中」或「另一實施例」之片語未必全部係指同一實施例。此外，特定特徵、結構或特性可以任一適合方式組合於一或多個實施例、實例或實施方案中。 除非內容脈絡另有要求，否則如此說明書及隨附申請專利範圍中所使用，諸如「一(a及an)」及「該(the)」之單數形式之物件包含複數個指示物。亦應注意，除非內容脈絡另有要求，否則術語「或」一般在包含「及/或」之其意義上被採用。 除非內容脈絡另有需要，否則貫穿此說明書及隨附申請專利範圍，措辭「包括(comprise)」及其變化形式(諸如「包括(comprises及comprising)」)應在一開放、包含性意義上被解釋，亦即，被解釋為「包含但不限於」。 在此說明書中提及或在包含第62/260,391號美國臨時申請案(2015年11月27日提出申請)之任何申請案數據表上提及之所有美國專利、美國專利申請公開案、美國專利申請案、外國專利、外國專利申請案及非專利公開案出於所有目的而以全文引用方式併入本文中。 儘管本文中已闡述所闡述實施例及實施方案之特定特徵，但熟習此項技術者現在將想到諸多修改、替代、改變及等效形式。因此，應理解，隨附申請專利範圍意欲涵蓋如歸屬於所闡述實施例及實施方案之範疇內之所有此類修改及改變。
100‧‧‧電腦系統/系統102‧‧‧數位電腦/電腦104‧‧‧控制子系統105‧‧‧處理器106‧‧‧匯流排108‧‧‧非暫時性電腦與處理器可讀儲存裝置/儲存裝置110‧‧‧網路介面子系統112‧‧‧輸入子系統114‧‧‧輸出子系統116‧‧‧類比電腦介面子系統120‧‧‧處理器可執行指令/處理器可讀資料/處理器可執行資料122‧‧‧作業系統124‧‧‧伺服器指令/處理器可執行伺服器指令126‧‧‧應用程式指令128‧‧‧校準指令130‧‧‧量子資訊處理器控制指令132‧‧‧環境控制指令/指令134‧‧‧處理器可讀資料/資料150‧‧‧類比電腦152‧‧‧環境子系統154‧‧‧量子資訊處理器156‧‧‧子系統/量子輸入子系統158‧‧‧子系統/量子輸出子系統170‧‧‧量子資訊通道/通道200‧‧‧量子資訊處理器/資訊處理器202‧‧‧半導體材料204‧‧‧施體原子/原子204A‧‧‧原子/施體原子204B‧‧‧原子/施體原子204C‧‧‧原子204D‧‧‧施體原子204E‧‧‧施體原子206-1‧‧‧凹面鏡206-2‧‧‧凹面鏡206A‧‧‧共振器206B‧‧‧共振器206C‧‧‧共振器206D‧‧‧共振器206E‧‧‧共振器208‧‧‧特性長度300‧‧‧量子資訊處理器302‧‧‧距離304‧‧‧距離306‧‧‧距離400‧‧‧量子資訊處理器402‧‧‧距離500‧‧‧量子資訊處理器504-0‧‧‧施體原子504-1‧‧‧施體原子504-2‧‧‧施體原子504-3‧‧‧施體原子504-4‧‧‧施體原子506-1‧‧‧共振器506-2‧‧‧共振器506-3‧‧‧共振器506-4‧‧‧共振器600‧‧‧量子資訊處理器602‧‧‧半導體基板603‧‧‧洞606-1‧‧‧晶格中斷606-2‧‧‧晶格中斷608-1‧‧‧光學共振器608-2‧‧‧光學共振器610‧‧‧線節段612‧‧‧施體原子613‧‧‧施體原子614‧‧‧光學結構700‧‧‧量子資訊處理器702‧‧‧半導體基板704‧‧‧施體原子706‧‧‧光學共振器708‧‧‧波導710‧‧‧光源712‧‧‧偵測器714‧‧‧距離/波導-共振器間隔800‧‧‧圖表802‧‧‧第一軸/軸804‧‧‧軸806‧‧‧能階808‧‧‧磁場810‧‧‧躍遷1400‧‧‧能階1402‧‧‧軸1404‧‧‧傑恩斯-卡明思階梯1406‧‧‧激發態1408‧‧‧能階1410‧‧‧向下自旋狀態1412‧‧‧狀態1414‧‧‧狀態1416‧‧‧移位1418‧‧‧能階1420‧‧‧躍遷1422‧‧‧躍遷1500‧‧‧量子資訊處理裝置/量子資訊裝置1502‧‧‧半導體基板/基板1504-1‧‧‧深雜質1504-2‧‧‧深雜質1504-3‧‧‧深雜質1504-4‧‧‧深雜質1506‧‧‧波導1508-1‧‧‧距離1508-2‧‧‧距離B‧‧‧磁場1s:A‧‧‧基態/狀態1s:T2‧‧‧激發態/狀態1s:Γ7‧‧‧激發態/狀態wC‧‧‧光學結構之共振頻率/頻率Dw‧‧‧能階移位/移位
本文中參考以下各圖更加詳細地闡述系統、裝置、物件及方法，在該等圖中： 圖1係圖解說明包含一量子資訊處理器之一系統之一部分之一示意圖； 圖2係圖解說明一例示性施體原子及共振器之一示意圖； 圖3係圖解說明一量子資訊處理器之一例示性部分之一示意圖； 圖4係圖解說明包含一對施體原子之一量子資訊處理器之一例示性部分之一示意圖； 圖5係圖解說明一量子資訊處理器之一例示性部分之一示意圖； 圖6係圖解說明包含一對光學共振器及一對施體原子之一量子資訊處理器之一例示性部分之一示意圖； 圖7係圖解說明包含一光學讀出裝置之一量子資訊處理器之一例示性部分之一示意圖； 圖8係圖解說明一雜質電子-核系統之對照磁場標繪之能階之一圖表； 圖9係圖解說明一量子資訊處理器中之一操作方法之一實施方案之一流程圖； 圖10係圖解說明用以製備一初始狀態中之一或多個量子位元之一方法之一實施方案之一流程圖； 圖11係圖解說明用以耦合兩個或兩個以上量子位元之一方法之一實施方案之一流程圖； 圖12係圖解說明用以讀出至少一個量子位元之一方法之一實施方案之一流程圖； 圖13A及圖13B係圖解說明用於互換一飛行量子位元與一固定量子位元之方法之流程圖； 圖14示意性地圖解說明包含一深雜質及一光學結構之一所耦合系統之複數個能階；及 圖15係圖解說明包含光學耦合至一波導之複數個深雜質之一量子資訊處理裝置之一區段之一示意圖。
100‧‧‧電腦系統/系統
102‧‧‧數位電腦/電腦
104‧‧‧控制子系統
105‧‧‧處理器
106‧‧‧匯流排
108‧‧‧非暫時性電腦與處理器可讀儲存裝置/儲存裝置
110‧‧‧網路介面子系統
112‧‧‧輸入子系統
114‧‧‧輸出子系統
116‧‧‧類比電腦介面子系統
120‧‧‧處理器可執行指令/處理器可讀資料/處理器可執行資料
122‧‧‧作業系統
124‧‧‧伺服器指令/處理器可執行伺服器指令
126‧‧‧應用程式指令
128‧‧‧校準指令
130‧‧‧量子資訊處理器控制指令
132‧‧‧環境控制指令/指令
134‧‧‧處理器可讀資料/資料
150‧‧‧類比電腦
152‧‧‧環境子系統
154‧‧‧量子資訊處理器
156‧‧‧子系統/量子輸入子系統
158‧‧‧子系統/量子輸出子系統
170‧‧‧量子資訊通道/通道

Claims (15)

  1. 一種量子資訊處理裝置，其包括： 一半導體基板； 一或多個非氣態硫族元素施體原子，其安置在該半導體基板內，其中該等非氣態硫族元素施體原子中之每一者由對應於第一非氣態硫族元素施體原子之不同電子或核自旋狀態且表示量子位元資訊之複數個量子狀態表徵； 一第一光學共振器，其具有具一第一共振器頻率之一第一光子模態及表示共振器資訊之一光學狀態；及 一第一非氣態硫族元素施體原子，其光學耦合至該第一光學共振器，該第一非氣態硫族元素施體原子具有一第一對該複數個量子狀態之間的一第一躍遷頻率，該第一躍遷頻率匹配該第一共振器頻率， 其中該第一光學共振器光學耦合該量子位元資訊與該共振器資訊。
  2. 如請求項1之裝置，其中該第一非氣態硫族元素施體原子安置在大約該第一光學共振器之該第一光子模態之一腹點處。
  3. 如請求項1之裝置，其中該第一非氣態硫族元素施體原子具有該複數個量子狀態中之一第一量子狀態與一第二量子狀態之間的一光學躍遷。
  4. 如請求項1之裝置，其進一步包括： 一第二光學共振器，其具有具一第二共振器頻率之一第二光子模態；及 一第二非氣態硫族元素施體，其耦合至該第二光學共振器，該第二非氣態硫族元素施體原子具有一第二對能階之間的一第二躍遷頻率，該第二躍遷頻率匹配該第二共振器頻率。
  5. 如請求項4之裝置，其中該第二光學共振器在距該第一光學共振器之一距離處，該距離小於一特性衰減長度λ/n 之大約二十倍，其中λ係第一光子模態波長且n 係該半導體基板之折射率。
  6. 如請求項1之裝置，其進一步包括： 一第二光學共振器，其具有具一第二共振器頻率之一第二光子模態； 一第二非氣態硫族元素施體原子，其具有一第二對能階之間的一第二躍遷頻率；且 其中： 該第二光學共振器光學耦合至該第一非氣態硫族元素施體原子及一第二非氣態硫族元素施體原子， 該第二光學共振器之至少一部分插置在該第一非氣態硫族元素施體原子與該第二非氣態硫族元素施體原子之間，且 該第二躍遷頻率匹配該第二共振器頻率。
  7. 如請求項6之裝置，其進一步包括： 一第三非氣態硫族元素施體原子，其光學耦合至該第一光學共振器；且 其中： 該第三非氣態硫族元素施體原子具有一第三對能階之間的一第三躍遷頻率，且 該第一光學共振器插置在該第一非氣態硫族元素施體原子與該第三非氣態硫族元素施體原子之間。
  8. 如請求項1之裝置，其中該第一非氣態硫族元素施體原子安置在該半導體基板中大於10奈米之一深度處。
  9. 如請求項1之裝置，其中該第一非氣態硫族元素施體原子係一深位準施體。
  10. 如請求項1之裝置，其中該第一非氣態硫族元素施體原子係硫、硒或碲原子。
  11. 如請求項1之裝置，其中該半導體基板係一矽基板。
  12. 如請求項1之裝置，其中該矽基板之至少95%由非順磁矽同位素製成。
  13. 如請求項1之裝置，其中該半導體基板包含經組態以接受一自由電子之一受體位點。
  14. 如請求項1之裝置，其進一步包括騎跨該第一光學共振器放置以將一電場施加至該第一光學共振器之一對電極。
  15. 如請求項1之裝置，其進一步包括光學耦合至該第一光學共振器以光學探測該第一光學共振器之一光學狀態之一波導。
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