TWI811402B - 量子處理系統 - Google Patents

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Abstract

本申請案揭露了一種量子處理系統。在一實施例中，量子處理系統包括：位於矽晶基板中的複數個施體原子，每個施體原子位於施體位點；及圍繞施體原子排列以將施體原子作為量子位元操作的複數個導電控制電極。其中，複數施體原子中的至少兩對最近鄰施體原子沿著矽晶基板的[110]方向排列且經配置成作為量子位元操作。

Description

量子處理系統
本申請案的各態樣涉及高級處理系統和用於操作該系統的方法；更具體來說，本申請案的各態樣涉及可控制以執行糾錯量子計算的量子處理系統。
本節中所描述的發展是發明人已知的。然而，除非另有說明，否則不應認為本節​​中描述的任何發展僅因其包含在本節中而有資格作為先前技術，或是這些任何發展是所屬技術領域中具有通常知識者已知的。
大規模的量子處理系統具有技術革命的希望，其具有解決傳統機器所無法解決的問題的前景。迄今為止，已提出了許多不同的結構、材料和架構來實現量子處理系統及製造該等量子處理系統的基本資訊單元（或量子位元）。
例如，製造量子位元的一種方法是使用矽中的離子化磷施體原子的核或電子自旋，使得每個磷施體原子接著作為量子位元（quantum bit/qubit）。由於31 P自旋的可尋址性和長相干性，此種製造技術提供近乎完美的量子位元狀態編碼。此外，以這種方式製造的量子位元已證明第二長壽命且自能夠實現電尋址和高保真度的半導體主機受益。
然而，為了開始看到量子處理系統可提供的計算優勢，需要製造基本量子電路（或量子閘）─這並不容易。例如，在矽中的單個施體原子的情況下，產生雙量子位元閘需要精確控制兩個相鄰施體原子之間的電子─ 電子交換相互作用及電子與相同施體原子的核自旋之間的超精細相互作用。通常，電子─電子交換通過海森堡交換相互作用發生─這是在相同粒子之間發生的量子力學效應。
儘管海森堡交換相互作用對於量子位元交互作用來說是有吸引力的方式（因為它為量子處理器提供了緊湊的路徑），但在複數個基於矽的量子位元上一致且可控制地實現這種交互作用通常是有問題的。這是因為矽帶結構中固有的量子干涉效應和矽中能谷自由度的存在。基本上，矽的晶體結構導致施體結合的電子電荷分佈在施體周圍的空間中以稱為能谷頻率的頻率kμ ~0.81k0 振盪，該能谷頻率與晶格頻率k0 不相稱。值得注意的是，在兩個施體原子上的兩個施體結合之間的能谷頻率處發生的雙電子干涉已被預測導致兩個施體原子之間的交換耦合作為施體間位置的函數振盪，強烈地調節了如氫分子的指數衰減。僅對於少數晶格位點的施體位置的變化來說，交換可變化多達5個數量級，這對於量子電腦和模擬器是至關重要的。交換幅度的這種變化可使雙量子位元閘保真度惡化，從而阻止大規模所需的量子位元同步並破壞多體效應。
此外，已提出了波函數工程選項，其中矽的電子能谷組成通過耦合到界面態或通過使用應變矽來修改。 然而，關於這些技術所涉及的複雜製造處理及界面陷阱、粗糙度或應變不均勻性對交換變化、電子相干性和裝置可靠性的影響仍存在著問題。
因此，需要一種與現有裝置製造技術兼容且其中可穩定交換耦合的改進。
根據本發明的第一態樣，提供了一種量子處理系統，其包括：位於矽晶基板中的複數個施體原子，每個施體原子位於施體位點；複數個導電控制電極圍繞施體原子佈置以將施體原子作為量子位元操作；其中複數個施體原子中的至少兩對最近鄰施體原子沿著矽晶基板的[110]方向排列且經配置成作為量子位元操作。
在一些實施例中，每對最近鄰施體原子具有交換耦合值，且施體原子對之間的交換耦合值的最大變化小於預定因子。
在一些實施例中，預定因子是10。
此外，矽晶基板可包括沿[110]方向佈置的複數個施體位點，每個位點包括複數個位置，且其中第一施體原子位於第一施體位點處的複數個位置的第一位置處，及第二施體原子位於第二施體位點的複數個位置的第二位置處，且其中第一位置不同於第二位置。
在某些實施例中，每個施體位點包括六個位置。
此外，當第一施體原子位於第一施體位點處的複數個位置的任何位置處且第二施體原子位於第二施體位點處的複數個位置的任何位置時，對交換耦合J 提供二維保護以防止能谷干涉。
此外，一對施體原子中的施體原子之間的距離可以是至少10nm，且在一些實施例中，係在10nm和25nm之間。
量子處理系統可進一步包括圍繞施體原子佈置以產生失諧場的複數個控制閘，以將至少90％的施體原子對之間的交換耦合值增加到一特定的交換耦合值。
根據本申請案的第二態樣，提供了一種量子處理系統，其包括：位於矽晶基板中的施體位點處的複數個施體原子；圍繞施體原子排列以作為量子位元操作施體原子的複數個導電控制電極；其中至少一對最近鄰施體原子沿著矽晶基板的[110]方向相對於彼此排列在複數個可能的非等效施體─施體位置中的一者中，其中每個非等效施體─施體位置與正規化的交換耦合值相關聯，及相關於複數個可能的非等效施體─施體位置的正規化的交換耦合值中的變化小於預定因子。
複數個非等效施體─施體位置可包括10種配置。
此外，當至少一對最近鄰施體原子被佈置在複數個可能的非等效施體─施體位置的任何一者中時，向交換耦合J 提供一二維保護以防止能谷干涉。
根據本申請案的第三態樣，提供了一種量子處理系統，其包括：複數個量子位元，該複數個量子位元藉由沿[110]方向將施體原子定位在矽晶基板中使得施體原子對之間的交換耦合的大小差異小於預定因子而產生；及複數個控制閘，該複數個控制閘圍繞施體原子佈置以產生失諧場，以將至少90％的施體原子對之間的交換耦合值增加到一特定的交換耦合值。
在某些實施例中，複數個控制閘中的一對控制閘被佈置為控制一對量子位元以產生失諧電場。
此外，第三態樣的量子處理系統可包括圍繞施體原子佈置的複數個導電控制電極，以將施體原子作為量子位元操作。
根據本申請案的第四態樣，提供了一種用於量子處理系統的結構，其包括：矽晶基板，該矽晶基板包括沿該矽晶基板的[110]方向排列的複數個施體原子位點，每個施體原子位點包括用於定位施體原子的複數個可能位置；複數個施體原子，每個施體原子位於複數個可能位置中的任何一個位置中的複數個施體原子位點的相應施體原子位點中；其中在[110]方向上彼此最接近的施體原子彼此相互作用，且每對最近鄰施體原子具有交換耦合值，及其中多對最近鄰施體原子之間的該等交換耦合值的最大變化小於預定因子。
概述：本章描述矽的已知特性及與將施體原子放置在矽基板中以製造高級處理系統（例如量子處理系統）相關的問題。
矽具有立方對稱的晶體結構。每個矽晶體的特徵在於在x、y和z方向上重複的晶胞。圖1A示出了矽的一晶胞100；晶胞100包括在立方結構的八個角處的八個矽原子。密勒指數(Miller index)通常用於描述矽晶胞100的晶格平面和方向。根據此指數，使用x、y和z方向定義方向。例如，方向[110]定義垂直於xy平面或小平面的表面的向量方向。使用此指數定義三個主要的晶體方向─如圖1B、1C和1D所示的[100]方向、[110]方向和[111]方向。
此外，應當理解，矽的能帶結構是複雜的。矽的能帶結構具有以下特性：導帶中的電子態能量在晶體動量（k）為零時不會最小化，而是在非零值(kμ )處最小化；即，約為通往布里元區邊界的81％(如圖2中之第一布里元區的矽的倒易晶格晶胞200所示)。
由於矽具有立方對稱性且在結構中存在六個等效的最小值，故通常認為矽在其導帶中具有六個簡併能谷。在傳統的電子裝置中，複數個能谷的存在通常不會以深刻的方式影響運輸性質。然而，能谷物理學在量子電子學中起著關鍵作用，因為不同能谷之間的干涉使放置在矽基板中的施體原子的自旋操作複雜化。
一般而言，晶格結構100中的每個矽原子與四個其他矽原子鍵合─兩個在下，兩個在上。這是矽最穩定的狀態，因為其所有可能的鍵皆被滿足。然而，基板表面上的矽原子僅與下面的兩個矽原子鍵合，因它們缺少任何上面的原子以與之鍵合。因此，表面Si原子在上面具有兩個可用的鍵合位點（稱為懸空鍵）。為了減少懸空鍵的數量，表面上的相鄰矽原子對彼此鍵合，使每個表面矽原子具有一個可用的懸空鍵。當成對的相鄰表面矽原子以這種方式彼此鍵合時，它們被拉向彼此並離開它們的立方晶格位置，形成被稱為二聚體列的矽原子對列。圖3示出了具有多行二聚體302的2×1矽表面300。圖3還示出了每個矽原子上的懸空鍵304。
如前所述，通過將施體原子（如磷原子）置於28 Si結構中來製造一些量子處理系統。此製造通常涉及將矽表面暴露於原子氫，使得氫原子可鍵合到表面Si原子（使用懸空鍵304），而在表面上形成單層氫原子。此後，掃描隧道顯微鏡（STM）尖端用來選擇性地解吸氫原子，從而在精確選定的位置暴露懸空鍵（例如，6個氫原子可在特定位置解吸以暴露3個矽二聚體）。接著，(例如)通過磷化氫氣體（PH3 ）引入磷施體原子，使得恰好一個磷原子與每個經暴露位置處的經暴露的懸掛鍵強烈鍵合（例如，磷施體原子可與特定位置中的三個矽二聚體的任何一者強烈鍵合）。此後，與嵌入至矽晶體中的施體原子鍵合的磷電子對可（通過交換耦合，J ）相互作用以形成可被控制以執行某些電路操作的量子位元對。
圖4A是在28 Si中與施體原子402A、402B、... 、402N鍵合的單電子自旋的2D陣列400的示意圖，其中2-量子位元操作使用海森堡交換相互作用而發生在最近鄰（例如，施體原子402A和402B）之間。圖4B示出了圖4A的兩個施體原子402A和402B之間的交換相互作用410。
施體原子之間的交換耦合的一個重要特徵是由於先前提到的多能谷矽導帶所導致之交換耦合的振盪與施體分離在晶格常數的量級上的變化。這些能谷之間的干涉可能導致交換相互作用中的快速振盪，且可能導致交換閘錯誤和不同步的量子處理器。基於施體的量子位元的另一個問題是施體放置精度的隨機性或不確定性，這是因為施體原子可能與特定位點處的三個暴露的矽二聚體中的任何一者鍵合，這取決於PH3 分子在CVD期間如何在暴露的二聚體陣列內定位自身。這兩個特徵導致兩個量子位元之間產生的交換耦合J的固有隨機性，這又導致交換閘錯誤和不同步的量子處理器。
在過去的十年中，許多研究人員已經研究了這些特徵對相鄰施體原子之間的交換耦合的影響，並發現在一維位置方案中，兩個相鄰施體原子之間的交換耦合不受沿著[100]結晶方向的能谷的干涉。然而，這假設了施體原子可精確定位且以完美的線性排列。這與使用STM光刻的先前技術摻雜劑定位不相容，其中摻雜劑隨機地摻入3個二聚體的片中，導致了相鄰施體原子的相對位置的二維不確定性。一些研究考慮了隨機3D施體放置誤差，並且還得出結論：在空間中沒有包括沿著[100]的區域，其中能谷引起的交換變化是有限的且交換是穩定的。
基於這些研究，當製造基於施體的量子位元時，研究人員通常將磷施體沿著[100]方向定位在矽表面中。
然而，與常識和實踐相反，本發明人已發現了摻雜劑放置方案，其中交換不受面內能谷干涉，因此對摻雜劑位置的面內（2D）隨機變化免疫。
具體來說，本申請的發明人提出了基於施體的量子處理系統，其中施體原子位於沿[110]方向排列的施體位點處。這種量子處理系統考慮了實際的施體定位誤差或變化，且表現出小於10倍的交換變化。因此，所提出的基於施體的量子處理系統實現了交換均勻性，同時保留了批量可重複的施體性質。
本發明揭露的量子處理系統中的施體原子基於與矽平面中施體原子的實際位置相關的定制交換計算和分析來排列，這可使用STM技術實現。
以下章節描述了實驗結果，在[001]平面中具有施體原子的矽基板、在[001]平面中製造基於施體的量子位元的處理和在[001]平面中使用基於施體的量子位元的量子處理系統。 實驗結果
能谷誘導的J振盪的存在不可避免地限制了量子結構的設計。首先，由於圖4B中所示的包絡部分引起的交換指數衰減的直接後果是需要將施體原子放置在約2nm精度(即，電子波爾(Bohr)半徑)內，否則交換耦合J的變化會超過一個數量級。此閾值是關鍵的，因為通常很難通過任何已知的調諧方案來調整這個或任何更大數量級的交換耦合變化，這最終影響特定量子處理系統中的量子位元均勻性並因此影響控制和定址同步操作中此種量子位元的能力，這可能是大規模量子處理所需要的。
STM光刻技術通常滿足此要求，因可使用STM沿著[110]方向隨機地將單個施體原子併入3個氫解吸二聚體的片內。然而，即使使用STM，也難以預測或迫使施體原子與6個暴露的矽原子的特定矽原子鍵合；實際上，給定化學反應發生在懸空鍵和PH3分子之間的情況下，施體原子與六個暴露的矽原子中的任何一者隨機鍵合。因此，兩個相鄰施體原子可能存在多達12個非等效的施體 - 施體位置。
圖5A示出了施體原子位點502和兩個其他施體原子位點504和506，其中施體原子位點504在從施體原子位點502開始的[100]方向上且施體位點506在從施體原子位點502開始的[110]方向上。此外，每個施體位點502、504和506包括6個可能的位置，其中可放置施體原子508。在圖5A中，位置502、504和506中的施體原子508與中間矽二聚體中的矽原子鍵合，以達目標距離dtar 和目標角度θtar 。圖5A中的空心圓圈表示兩個方向上的目標位置。
本發明人在交換耦合的施體上進行低溫STM，以在波函數水平上直接成像和測量兩個施體原子之間的能谷相干涉。這是藉由在能谷值頻率kμ~0.81* k0附近對STM圖像進行濾波來完成的，從而可提取兩個施體之間的能谷相位差Δφμ。圖5B至圖5D示出了相鄰施體原子的一個施體─施體位置的y─能谷干涉和能谷相位差。
具體來說，圖5B是交換耦合的施體對510的準粒子波函數的STM圖像。點512表示兩個施體的精確定位，點514表示2x1重建表面處的矽原子位置。圖5C示出了在能谷值頻率kμ~0.81* k0附近濾波的圖5B的STM圖像510，其示出了平面內y─能谷干涉。十字522表示施體位置的位置。圖5D是從切割通過圖5C中所示的兩個施體原子的線的擬合中提取的相位差Δφy的曲線圖。若Δφy接近π，則y─能谷在兩個施體之間破壞性地干涉，這可能影響交換耦合J 。
從這些圖像中，直接量化施體之間的能谷相干涉。這是第一次直接觀察和量化矽中兩個磷原子之間的能谷干涉。從這些觀察中，發明人僅使用了實驗測量的參數作為輸入來構建交換變化幅度的預測模型。此模型是現象學有效質量模型（P-EM），其可表示為：(1) 其中是能谷中相鄰施體之間的能谷相位差、是能谷v中相鄰施體之間的能谷相位差、a和b是各向異性包絡波爾半徑、是兩個施體之間的相對位置、表示在兩個施體之間交換第一電子的能谷，及v表示在兩個施體之間交換第二電子的能谷。
在此等式中，第一部分（即，j μ v （）包括包絡或軌域項，且此部分以平滑、緩慢變化的方式影響交換值（J）。第二部分（即，）包括能谷值干涉項，其以快速變化的方式影響交換值（J）。
圖5E是示出在dtar = 12nm的情況下針對θtar 繪製的正規化包絡權重j μ v 的曲線圖540。如圖5E所示，6個不同的包絡項（j xx 、j xy 、j xz 、j yy 、j yz 和j zz ）的相對權重平滑演變，因為該6個不同的包絡項不包含任何能谷干涉(但該6個不同的包絡項的比率並非恆定的且具有幾個不同數量級)。這是施體包絡的各向異性和指數性質的直接結果。如曲線540所示，沿著[100]方向，j yz 項與j zz 和jyy 一起簡併，且在x─能谷中交換電子的任何項中主要佔主導地位。j yz 、j zz 和j yy 之間的簡併性來自於對稱性，因為y軌域和z軌域之間的乘積沿[100]方向係相等的。
然而，沿著[110]方向，j zz 的普遍性被最大化。因此，在此方向上，j zz 主導著簡併項j xz 和j yz 。因此，沿著[110]方向放置施體導致有限或，其可根據從對到對具體獲得的配置而變化，且因此導致破壞性的j xz 和j yz 項。然而，由於j zz 在此方向佔主導地位，故j xz 和j yz 項對交換值的影響可忽略不計。
圖5F是曲線圖550，其示出了用於12個兩個施體原子之間的可能距離之所得到的正規化J值，其中每個施體原子可放置在施體位點中的6個可能位置之一者中(針對[100]方向計算，即其中θtar = 0°)；圖5G是曲線圖560，其示出了用於10個兩個施體原子之間的可能距離之所得到的正規化J值，其中每個施體原子可放置在施體位點中的6個可能位置之一者中(針對[110]方向計算，即θtar =45˚)。在這兩種情況下，施體原子之間的平均距離是12nm（即dtar = 12nm）。這些圖中的每一者皆圖示了基於等式（1）的現象學有效質量（P-EM）理論模型所計算的正規化J值。
如圖5F所示，對於[100]方向上的12個不同位置中的每一者的正規化J值的變化大約是100的因子，或兩個數量級，因距離的變化是起因於從11nm到13nm的不同位置。例如，最低交換耦合值（Jmin）和最高交換耦合值（Jmax）之間的差值大於100的因子。正規化J值的此種變化可藉由曲線540和P-EM模型來解釋。j yy 、j zz 和j yz 項在[100]方向上的簡併性和支配性意味著在式（1）中表達的總和可簡化為僅涉及及(且後者在xy平面中為零)的這些項。因此，沿[100]方向只有的問題。在[100]方向上完美對齊的位置的正規化J值導致相長的y─能谷，即= 0和最大化的J值。然而，當施體原子未對準或沿[100]方向未完美對齊時，是有限值，因此用於此種配置的正規化J值對於這些位置減少了兩個數量級以上。這意味著當沿[100]方向放置施體時只有x能谷干涉（即Δφx）不會影響交換，其對交換提供一維保護以防止來自摻雜劑放置誤差的能谷干涉。
另一方面，如圖5G所示，對於從11nm到13nm的不同位置引起的距離變化，[110]方向上的10個不同位置中的每一者的正規化J值的變化小於10的因子。例如，最低交換耦合值（Jmin ）和最高交換耦合值（Jmax ）之間的差值是小於10的因子。這可再次通過曲線540和等式（1）的P- EM模型來解釋。沿[110]方向放置施體導致有限或，該或可根據施體原子對之間的位置差異而變化。然而，由於j zz 在[110]方向佔主導地位，這兩個值對J值的影響可忽略不計。結果，沿著[110]軸為兩個施體獲得的可能交換值（J）受到更多約束且變化小於一個數量級(如圖560所示)。事實上，當沿[110]方向放置施體為交換耦合J提供二維保護(在[100]方向上的施體放置不能提供)以防止來自摻雜劑放置誤差的能谷干涉時，Δφx或Δφy都不影響交換。
圖5H是曲線圖570，其示出了對於相鄰施體原子之間的10nm至25nm之寬的目標距離範圍之在[100]方向和[110]方向上的目標位置繪製的Jmin / Jmax值的比率。如圖5H所示，[110]方向的值對於寬的距離範圍顯示有限的變化（10的因子或更小），接近超過12nm的目標距離處的包絡極限，因為平面內能谷干涉及不影響交換值。相比之下，[100]方向的值在整個範圍內仍然遠低於500的因子，因j yy 、j yz 和j zz 之間的簡併性仍然存在於所有距離。
因此，很明顯，[110]方向周圍的交換耦合值的變化始終比[100]方向周圍的變化低得多（至少一個數量級）且被限制在10的因子之內，以適用於為量子計算提供大量可用的交換值的各種距離。
[110]方向是最佳的且可最小化能谷引起的交換變化的證明有助於構建穩健且一致地執行2-量子位元閘，且揭示(其中(例如) 需要實現穩健的2-量子位元操作的)量子計算架構策略的關鍵資訊。
此外，圖6是曲線圖600，其示出了針對給定可調諧因子調諧到最大值的量子位元的百分比。對於實際的可調諧因子3(其與所建議之對於15nm或更長的距離的施體量子位元調諧方案一致)，若施體沿著 [100] 瞄準則將調諧約50％的量子位元，如602位置處的斷開輪廓所示。然而，對於與604位置處的實線輪廓所示的相同因子來說，此百分比沿著[110]超過90％，以要實施的有效的量子誤差校正達到全局控制的穩定量子機器的最小產量。對於[100]方向上之可調性因子為約100的施體來說可達到此百分比，如606位置處所示（這是不現實的）。
因此，沿著[110]方向的包絡限制交換變化構成了更大規模量子計算的寶貴資產，因為J值的小變化意味著可預期[110]方向上的至少90％的量子位元調諧到最大交換相互作用值，使得量子處理系統中至少90％的量子位元可表現出一致性且可被均勻控制。 矽中的施體量子位元
圖7示出了根據本申請案的態樣的用於量子處理系統的示例性且高度示意性的結構700。
結構700包括矽晶基板702和位於[001]平面中的矽晶基板中的複數個施體原子704。具體來說，圖7示出了施體原子在[110]或[-110]方向（該等方向是等效結晶方向）周圍的施體原子位點706內的相同平面中的定位。每個施體位點706包括可放置施體原子704的六個可能位置，且如圖7所示，施體原子可佔據可能的六個位置中的任何一者中。
在結構700中，使用海森堡交換相互作用在最近鄰施體原子（例如，施體原子704A和704B或施體原子704B和704C）之間發生2─量子位元操作。施體原子對700之間的交換相互作用的值可使得跨越結構700的交換相互作用值的最大變化在預定因子（例如， 10的因子）內。 在[110]方向（或[001]平面）調諧矽中的施體量子位元
在某些實施例中，為了進一步減少圖7中所示的施體原子對的交換相互作用值的變化，可採用調諧電路以將交換耦合幅度電調諧到最大交換相互作用值。
為了實現這一點，在一些情況下，可在兩個施體原子之間使用J閘，以將J耦合調諧到特定值（例如，圖5D中所示的Jmax ）。或者，可使用A閘。
在其他實施例中，可使用交換閘。圖8示出了可調諧的2量子位元閘。特別地，圖8A示出了可調諧2量子位元閘800，其中控制閘802和804放置在具有兩個量子位元806和808的矽基板805的頂部上；圖8B示出了具有放置在平面 (即，具有兩個量子位元806和808的[110平面])內的控制閘802和804的可調諧2量子位元閘810。
在操作中，控制閘802和804在兩個量子位元之間產生電場（稱為失諧場），這增強了量子位元之間的交換耦合。具體來說，失諧場使得來自一個量子位元的部分電荷轉變到另一個量子位元。系統的電荷配置表示為（M，N），其中M表示第一施體原子上的電子數及N表示第二施體原子上的電子數。當藉由失諧電場將與一個施體結合的電子拉到另一者時，可將交換耦合J從（1,1）狀態中的較小值設計為朝向（2,0）狀態的較大值(因後者中的波函數的大空間重疊)。可從頂部閘極（參見圖8A）或從平面內閘極（參見圖8B）施加這樣的電場。經放置在施體量子位元的任一側的失諧閘消除了通過J閘控制敏感隧道屏障的需要。此外，此設計放寬了對Kane架構的施體分離和閘寬度的更嚴格的工程要求，這導致量子處理系統中的總閘密度降低。
如上文的圖6所示，通過使用調諧因子5調諧至少10nm的施體原子，可調諧至少90％的量子位元對以在該等量子位元對被定位在[110]方向時具有基本上相同的交換相互作用。 在[001]平面中的矽中製造施體量子位元
圖9概述了用於將施體原子放置在[001]平面中的矽基板中的各個處理步驟（步驟a至步驟k）。
藉由加熱至接近熔點，在超高真空（UHV）中形成清潔的矽2×1表面。此表面具有2×1個晶胞且由多排σ-鍵合的矽二聚體組成，其中每個矽原子上剩餘的懸空鍵與其所包含的二聚體的另一個矽原子形成弱的π-鍵。
處理步驟（a）（即，一氫化物沉積）包括將清潔的矽2x1表面暴露於原子氫以破壞弱的矽-π鍵，從而允許氫原子鍵合到矽懸空鍵。在受控條件下，可形成單層氫，其中一個氫原子與每個矽原子鍵合，滿足了反應性懸空鍵而有效地鈍化表面；見步驟（a）。
接著，在處理步驟（b）（即，氫解吸）中，使用STM尖端通過施加適當的電壓和隧道電流來從鈍化表面選擇性地解吸氫原子，在氫抗蝕劑中形成圖案；見步驟（b）。
應當理解，從將要放置施體原子的精確位置解吸氫原子，且根據本申請案的態樣，以這樣的方式解吸氫原子，從而產生施體原子沿[110]方向放置的位置。
在矽基板表面上形成的二聚體列的特別優勢的特徵是，這些列在[110]方向上取向(如圖9所示)。因此，為了為[110]方向中的兩個最近鄰施體原子建立位置，使用STM尖端以從第一個位置開始（見圖10B），在沿著二聚體列的一個位置處解吸六個氫原子，接著在沿同一二聚體列的特定距離（例如，約10-25nm，更較佳地約12-15nm）處解吸六個額外的氫原子。然後重複該過程，以沿[110]方向產生其他施體原子的位置。以此方式，將裸露的活性矽原子區域沿二聚體列暴露，從而允許隨後將活性物質直接吸附到矽表面。圖10B示出了使用STM在[110]方向上位於矽基板中的兩個施體原子的圖像。
回到圖9A，在步驟（c）（即，PH3 給料），通過經連接到特別設計的磷化氫微量給料系統的受控洩漏閥將磷化氫（PH3 ）氣體引入至真空系統中。磷化氫分子通過氫抗蝕劑中的孔與暴露的矽表面強烈鍵合；見步驟（c）。如前所述，在特定施體位點處，磷化氫分子可與三個經暴露的矽二聚體中的任何一者鍵合。
隨後加熱STM圖案化表面以進行晶體生長導致磷化氫分子的離解，並導致P摻入矽的第一層中；見步驟（d）。因此，STM圖案化的H鈍化表面暴露於用於產生所需的P陣列的PH3 。
然後，在室溫下用矽過度生長表面(步驟（f）處)之前，在步驟（e）處可解吸氫氣。另一種方法是直接通過氫層生長矽，如步驟（g）所示。
在步驟（h），快速退火表面。
接著在升高的溫度下在表面上生長矽，如步驟（i）所示。接著如步驟（j）所示，生長屏障。最後，導電閘可在表面上對準，如步驟（k）所示。
藉由以這種方式(即，沿[110]方向佈置)製造具有施體原子的矽基板，可管理交換耦合的值，使得可在不使用應變矽的情況下實現誤差校正的量子計算。因此，與其中施體原子對係沿[100]方向定位的量子處理系統相比，本文所揭露的結構、架構和處理系統相對來說更容易製造。
美國專利7,097,708號，「用於量子電腦的矽晶體中的取代施體原子(Substituted donor atoms in silicon crystal for quantum computer)」，描述了可用於製造本文所述裝置的製造處理的一些態樣，且其全部內容藉由引用方式併入本文中。 基於 [110]方向中之矽中的施體量子位元的量子處理器
如前所述，複數個施體原子以矽中的二維矩陣排列設置在[001]平面中（或沿[110]方向）。在量子處理器的一些變型中，可在施體位點中編碼量子位元，該等施體位點包括排列成叢集的複數個施體原子。在這種情況下的量子位元是使用叢集中施體原子的量子特性的組合來編碼的。
資料量子位元元素被編碼在複數個施體原子的第一組中，且剩餘的施體原子被佈置為促進量子誤差校正。在第二組施體原子上編碼的量子位元在本文中也稱為「輔助」量子位元。
在各個施體原子的核自旋中編碼資料和輔助量子位元。由於[001]平面中之至少90％的施體原子對可被調諧成均勻的交換值，因此在根據本申請案的態樣的量子處理器中，可使用可從外部施加至整個架構的全域磁性場同時旋轉施體電子和核自旋。這對於需要局部（針對每個量子位元）施加磁場的架構提供了實質性的優勢。
控制結構經佈置在矽中以與資料量子位元和輔助量子位元相互作用。控制結構的佈置允許同時控制複數個量子位元。具體來說，可在分佈在矩陣上的圖案中同時控制量子位元。可控制結構以將電子加載到每個施體原子或從每個施體原子卸載電子，同時將電子加載到複數個施體原子上或從複數個施體原子卸載電子。
參考圖11A，示出了矽量子計算結構1120的分解表示。結構1120在三個不同的矽平面中分解。結構在同位素純化的矽28（28 Si）基板中形成（例如使用參照圖9所描述的方法）。具體來說，複數個施體原子1104沿[110]方向嵌入至矽晶格中。製造結構的可能技術是從純矽晶圓開始，並利用掃描隧道顯微鏡的光刻能力及矽磊晶在每個平面上製造結構。在操作中，整個裝置被冷卻到mK狀態，並在大約B = 2T之具有外部施加的（全域）RF和MW控制的磁場中操作。
兩組控制線在架構上延伸。控制線設置在包括施體原子的平面上方的平面上，且控制線設置在包括施體原子的平面下方的平面上。控制線相對於彼此垂直地佈置成十字形配置。在一些實施方式中，控制線可用不同於90°的角度相交。兩個平面中的控制線在物理上不相交，但是它們限定了交叉點；在這些交叉點處，它們穿過晶格的兩個垂直對齊的部分。關於這些交叉點中的一些交叉點，形成以重摻雜矽島1110的形式提供的控制元件。每個島形成單個電子電晶體（SET），各個控制構件設置在島的上方和下方。這些控制元件中的一對控制元件作為電晶體的源極和汲極，而另一對控制元件作為電晶體閘極。
在結構1120中，底部平面上的控制線在兩個交錯組1022和1024中分開。控制線1122作為SET的汲極，及控制線1124作為SET 1112的閘極。對頂平面1126和1128上的控制線示出了類似的配置，該頂平面1126和1128上的控制線分別作為SET的源極和閘極。每個SET 1112通過相應的控制島1110與一或多個施體原子1104相互作用。在所述實施例中，每個島1110被配置為與四個施體原子1104相互作用，以形成架構的單一單元。可通過向控制線1126至1124施加電信號來控制SET 1112，以在架構中的每個施體原子1104上加載或卸載電子，或控制一或多個施體原子的電子或核的自旋取向。此外，施體原子1104和控制線的配置允許同時加載或卸載以預定圖案排列的複數個施體原子上的電子。例如，可將電子加載到以四邊形圖案設置的複數個施體原子上。
現在參考圖11B，示出了具有相應控制線和控制島的量子位元存儲狀態中的施體原子1104的另一視圖1130。在這種「記憶」狀態下，超精細相互作用自然恰好為零，因為不存在電子。能量圖1150顯示了與ESR / NMR控制相關的能級。四個能級具有四個允許的轉換、兩個RF NMR轉換和兩個微波ESR轉換。這些轉換中的每一者可單獨地定向以執行單個量子位元旋轉和電子─核自旋相互作用。
通過選擇性地在特定施體原子上加載電子，可在量子處理器架構上選擇性地同時執行量子閘操作。
通過脈衝相應的閘極將電子加載到給定的施體位置，使得在加載電子之後立即在核和電子自旋之間具有非零超精細相互作用的施體。這改變了給定施體核自旋的共振頻率。因此，給定的一組量子位元可獨立地與全域RF / MW場共振，以影響期望的單個量子位元閘。這是超精細值的高度均勻的數字變化且受施體島穿隧過程的控制，該過程可用原子精度設計且在系統設置階段​​進行表徵。
在記憶體狀態中，量子位元核自旋遠離共振且不受全域控制場的影響。
最近鄰核自旋量子位元之間的兩個量子位元閘也由電子加載/卸載操作控制。在沒有束縛電子的情況下，這些分離處的核自旋之間的相互作用可忽略不計。然而，當電子加載到相鄰原子上時，除了電子感受到的任何交換耦合外，自旋─自旋偶極相互作用增加了一個因子（gμB /gn μn ）2≈3×106 ，其數位地有效切換了量子位元間的相互作用。在存在全局控制場的情況下，可將雙量子位元邏輯閘分解為明確定義的單量子位元和雙量子位元的相互作用系列。因此，所有閘極、初始化和讀出最終由晶胞閘極組控制且可用高度平行處理來執行。
美國專利公開案號US20160125311，「用於量子處理的設備和方法(Apparatus and method for quantum processing)」，描述了在半導體材料中實現的量子處理器和操作量子處理器以實現誤差校正的量子計算的方法，且其內容全部結合於本文中。
應當理解，上述實施例中描述的架構允許通過交換交互作用進行更好的耦合控制。在矽基板中具有針對複數個量子位元的交換相互作用值的有限變化允許了更有效地控制量子位元，且提供朝向基於矽中的施體之誤差校正的量子計算架構的更可行的路徑。
如本文所用的術語「包含」（及其語法變體）以「具有」或「包括」的包含性意義使用，而不是以「僅由......組成」的意義使用。
所屬技術領域中具有通常知識者將理解，在不脫離廣泛描述的本發明的精神或範疇的情況下，可對具體實施例中所示的本發明進行多種變化及/或修改。因此，本發明的實施例在所有態樣中都被認為是說明性的而非限制性的。
100‧‧‧晶格結構 200‧‧‧晶胞 300‧‧‧矽表面 302‧‧‧矽表面 304‧‧‧懸空鍵 400‧‧‧2D陣列 402A‧‧‧施體原子 402B‧‧‧施體原子 402N‧‧‧施體原子 410‧‧‧交換相互作用 502‧‧‧施體原子位點 504‧‧‧施體原子位點 506‧‧‧施體原子位點 508‧‧‧施體原子 510‧‧‧施體對 512‧‧‧點 514‧‧‧點 522‧‧‧十字 540‧‧‧曲線圖 550‧‧‧曲線圖 560‧‧‧曲線圖 570‧‧‧曲線圖 600‧‧‧曲線圖 602‧‧‧位置 604‧‧‧位置 606‧‧‧位置 700‧‧‧結構 702‧‧‧矽晶基板 704‧‧‧施體原子 704A‧‧‧施體原子 704B‧‧‧施體原子 704C‧‧‧施體原子 706‧‧‧施體位點 800‧‧‧可調諧2量子位元閘 802‧‧‧控制閘 804‧‧‧控制閘 805‧‧‧矽基板 806‧‧‧量子位元 808‧‧‧量子位元 810‧‧‧可調諧2量子位元閘 1104‧‧‧施體原子 1110‧‧‧島 1112‧‧‧SET 1120‧‧‧矽量子計算結構 1122‧‧‧控制線 1124‧‧‧控制線 1126‧‧‧頂平面 1128‧‧‧頂平面 1130‧‧‧視圖 1150‧‧‧能量圖
圖1A是實際空間中塊狀矽晶體的晶胞的示意圖。
圖1B至圖1D示出了矽晶胞晶格中的不同平面和方向。具體來說，圖1B示出了[100]方向和平面、圖1C示出了[110]方向和平面，及圖1D示出了[111]方向和平面。
圖2是圖1A的矽晶體在倒易空間中的示意圖。
圖3是具有多排矽二聚體的2×1矽表面的示意圖。
圖4A是與矽基板中的施體原子結合的單電子自旋的2D陣列的示意圖。
圖4B是說明兩個施體原子之間的交換相互作用的圖。
圖5A是相對於特定施體原子位點的[100]方向和[110]方向上的施體原子位點的示意圖。
圖5B是交換耦合的施體對的準粒子波函數的STM圖像。
圖5C描繪了在能谷頻率kμ ~0.81*k0 附近濾波的圖5B的STM圖像，其示出了平面內y─能谷干涉。
圖5D是從穿過圖5C中所示的兩個施體原子的線的擬合中提取的相位差Δφy的曲線圖。
圖5E是示出針對θtar 在dtar = 12nm繪製的正規化包絡權重j μν 的曲線圖。
圖5F是說明位於[100]方向上的施體原子的交換相互作用值的圖。
圖5G是說明[110]方向上的施體原子的交換相互作用值的圖。
圖5H是示出針對各種施體間距離之在[100]和[110]方向上的最小交換相互作用值和最大交換相互作用值的比率的曲線圖。
圖6是示出針對[100]和[110]方向中的給定可調性因子之經調諧到最大交換相互作用值的量子位元的百分比的曲線圖。
圖7是根據本申請案的態樣的示例性結構的示意圖。
圖8A示出了可調諧的2量子位元閘，其中控制閘放置在矽基板的頂部上。
圖8B示出了可調諧2量子位元閘，其中控制閘放置在具有兩個量子位元的平面內。
圖9是根據本申請案的態樣之用於將施體原子放置在[110]方向（或[001]平面）中的矽基板中的處理步驟的示意圖。
圖10A是沿[110]方向在兩個相鄰施體位點處的H-解吸附的示意圖。
圖10B是沿[110]方向位於矽基板中的兩個施體原子的圖像。
圖11A至圖11B是根據本申請案的態樣的量子處理器的架構的示意圖。
儘管本發明可修改成各種修改和替代形式，但在附圖中係以示例方式示出了特定實施例且對其進行了詳細描述。然而，應該理解，附圖和詳細描述並非旨在將本發明限制於所揭露的特定形式。目的是涵蓋落入由所附請求項所限定之本發明的精神和範疇內的所有修改、等同物和替代物。
國內寄存資訊 (請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無
國外寄存資訊 (請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
1104‧‧‧施體原子
1110‧‧‧島
1112‧‧‧SET
1120‧‧‧矽量子計算結構
1122‧‧‧控制線
1124‧‧‧控制線
1126‧‧‧頂平面
1128‧‧‧頂平面

Claims (22)

  1. 一種量子處理系統，包括：複數個施體原子，該複數個施體原子位於一矽晶基板中，每個施體原子位於一施體位點；複數個導電控制電極，該複數個導電控制電極圍繞該等施體原子排列，以將該等施體原子作為量子位元操作；其中該複數個施體原子中的至少兩對最近鄰施體原子沿著該矽晶基板的[110]方向排列且經配置成作為量子位元操作。
  2. 如請求項1所述的量子處理系統，其中，每對最近鄰施體原子具有一交換耦合值，及其中施體原子對之間的該等交換耦合值的最大變化小於一預定因子。
  3. 如請求項2所述的量子處理系統，其中該預定因子是10。
  4. 如請求項1所述的量子處理系統，其中該矽晶基板包括沿著[110]方向佈置的複數個施體位點，每個位點包括複數個位置，及其中一第一施體原子位於一第一施體位點之該複數個位置的一第一位置處及一第二施體原子位於一第二施體位點之該複數個位置的一第二位置處，且其中該第一位置不同於該第二位 置。
  5. 如請求項4所述的量子處理系統，其中該施體位點包括六個位置。
  6. 如請求項1所述的量子處理系統，其中一對施體原子中的施體原子之間的距離為至少10nm。
  7. 如請求項1所述的量子處理系統，其中一對施體原子中的施體原子之間的距離在10nm和25nm之間。
  8. 如請求項4所述的量子處理系統，其中當該第一施體原子位於該第一施體位點處的該複數個位置的任何位置及該第二施體原子位於該第二施體位點處的該複數個位置的任何位置時，向該交換耦合J提供一二維保護以防止能谷干涉。
  9. 如請求項1至8中任一項所述的量子處理系統，進一步包括圍繞該等施體原子佈置以產生失諧場的複數個控制閘，以將至少90%的該等施體原子對之間的該交換耦合值增加到一特定的交換耦合值。
  10. 一種量子處理系統，包括：複數個施體原子，該複數個施體原子位於一矽晶基板中的施體位點處；複數個導電控制電極，該複數個導電控制電極圍繞該等施體原子排列，以將該等施體原子作為量子位元 操作；其中至少一對最近鄰施體原子沿著該矽晶基板的[110]方向相對於彼此排列在複數個可能的非等效施體－施體位置中的一者中，其中每個非等效施體－施體位置與一正規化的交換耦合值相關聯，及相關於所有該複數個可能的非等效施體－施體位置的該等正規化的交換耦合值中的變化小於一預定因子。
  11. 如請求項10所述的量子處理系統，其中該複數個非等效施體－施體位置包括10個位置。
  12. 如請求項10所述的量子處理系統，其中當該至少一對最近鄰施體原子被佈置在該複數個可能的非等效施體－施體位置的該任何一者中時，向該交換耦合J提供一二維保護以防止能谷干涉。
  13. 如請求項10所述的量子處理系統，其中該預定因子是10。
  14. 如請求項10所述的量子處理系統，其中一對施體原子中的施體原子之間的該距離為至少10nm。
  15. 如請求項10所述的量子處理系統，其中一對施體原子中的施體原子之間的距離在10nm和25nm之間。
  16. 如請求項10至15中任一項所述的量子處 理系統，進一步包括圍繞該複數個施體原子佈置以產生失諧場的複數個控制閘，以將至少90%的該等施體原子對之間的該交換耦合值增加到一特定的交換耦合值。
  17. 一種量子處理系統，包括：複數個量子位元，該複數個量子位元藉由沿[110]方向將施體原子定位在一矽晶基板中使得施體原子對之間的交換耦合的大小差異小於一預定因子而產生；及複數個控制閘，該複數個控制閘圍繞該等施體原子佈置以產生失諧場，以將至少90%的該等施體原子對之間的該交換耦合值增加到一特定的交換耦合值。
  18. 如請求項17所述的量子處理系統，其中該複數個控制閘中的一對控制閘被佈置成控制一對量子位元以產生一失諧電場。
  19. 如請求項17所述的量子處理系統，其中該對量子位元至少間隔10nm。
  20. 如請求項17所述的量子處理系統，其中該預定因子是10。
  21. 如請求項17至20中任一項所述的量子處理系統，進一步包括複數個導電控制電極，該複數個導電控制電極圍繞該等施體原子佈置以將該等施體原 子作為量子位元操作。
  22. 一種用於一量子處理系統的結構，該結構包括：一矽晶基板，該矽晶基板包括沿該矽晶基板的[110]方向排列的複數個施體原子位點，每個施體原子位點包括用於定位一施體原子的複數個可能位置；複數個施體原子，每個施體原子位於該複數個可能位置中的任何一個位置中的該複數個施體原子位點的一相應施體原子位點中；其中在[110]方向上彼此最接近的施體原子彼此相互作用，且每對最近鄰施體原子具有一交換耦合值，及其中多對最近鄰施體原子之間的該等交換耦合值的最大變化小於一預定因子。
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