TWI834848B - 用於控制用於量子資訊處理之一裝置中之電荷穩定性的方法與設備及機器可讀儲存媒體 - Google Patents
用於控制用於量子資訊處理之一裝置中之電荷穩定性的方法與設備及機器可讀儲存媒體 Download PDFInfo
- Publication number
- TWI834848B TWI834848B TW109109370A TW109109370A TWI834848B TW I834848 B TWI834848 B TW I834848B TW 109109370 A TW109109370 A TW 109109370A TW 109109370 A TW109109370 A TW 109109370A TW I834848 B TWI834848 B TW I834848B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- localized
- charge
- regions
- localized regions
- quantum
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 68
- 230000010365 information processing Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 238000003860 storage Methods 0.000 title claims description 6
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims abstract description 92
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 66
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 claims description 27
- 239000003381 stabilizer Substances 0.000 claims description 24
- 230000015654 memory Effects 0.000 claims description 23
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 20
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 12
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 5
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 132
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 23
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 15
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 13
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 12
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 11
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 11
- 230000005283 ground state Effects 0.000 description 11
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 10
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 9
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 8
- 238000004435 EPR spectroscopy Methods 0.000 description 6
- 238000000231 atomic layer deposition Methods 0.000 description 6
- 230000006870 function Effects 0.000 description 6
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 4
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 4
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 2
- 230000005274 electronic transitions Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 2
- 230000001404 mediated effect Effects 0.000 description 2
- 229920005591 polysilicon Polymers 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 101001121408 Homo sapiens L-amino-acid oxidase Proteins 0.000 description 1
- 102100026388 L-amino-acid oxidase Human genes 0.000 description 1
- 229910000577 Silicon-germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000000116 mitigating effect Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000005624 perturbation theories Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 230000000135 prohibitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005610 quantum mechanics Effects 0.000 description 1
- 230000002040 relaxant effect Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000010845 search algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 150000003376 silicon Chemical class 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
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
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Evolutionary Computation (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Software Systems (AREA)
- Artificial Intelligence (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
本發明揭示用於控制用於量子資訊處理之一裝置之電荷穩定性的方法。根據實例，一種用於量子資訊處理之裝置包括用於侷限自旋電荷載體用作量子迪特之第一複數個侷限區域。該裝置進一步包括侷限自旋電荷載體之第二複數個侷限區域，該第二複數個侷限區域之各侷限區域相鄰於該第一複數個侷限區域之一侷限區域。該裝置進一步包括一或多個電荷庫，其中該第二複數個侷限區域之各侷限區域可附接至一電荷庫。根據實例，一種用於控制電荷穩定性之方法包括：選擇性調諧該第一複數個侷限區域及該第二複數個侷限區域之相鄰侷限區域之相對能階，使得若一自旋電荷載體自該第一複數個侷限區域之一侷限區域洩漏，則替換該自旋電荷載體以確保該第一複數個侷限區域之該侷限區域再次含有用作一量子迪特之一自旋電荷載體。本文亦描述控制設備及電腦可讀媒體。
Description
本發明係關於用於量子資訊處理及儲存之裝置、結構及系統。特定言之，本發明係關於此等裝置、結構及系統中之電荷載體(諸如電子)之控制。
本發明至少部分係基於量子力學、量子資訊及量子運算。有興趣的讀者可細讀Michael A Nielsen及Isaac L Chuang之「Quantum Computation and Quantum Information」中之基礎知識。特定言之，此參考文獻含有量子位元之性質及補充基礎中之量子量測之基本原理，且提供量子誤差校正及容錯量子運算之一介紹。此參考文獻亦使讀者熟悉常用於量子物理領域中之符號。
一量子電腦係處理量子資訊之一裝置，量子資訊係經典電腦處理之經典資訊(諸如離散經典位元，即，0及1)之一概括。一量子電腦具有比一經典電腦強很多之潛力用於至少一些程序，因為可更高效執行諸多運算。
在用於處理量子位元(另稱為「qubit」)之一電腦中，各量子位元可處於兩種狀態之一者中。然而，歸因於量子位元之性質，其亦可
處於此等兩種狀態之一疊加中。若一電腦之每一量子位元處於一適合狀態疊加中，則電腦之總狀態體疊加依2n擴展，其中n係量子位元之數目。藉由使一電腦處於此狀態疊加中，量子演算法(諸如格羅弗(Grover)演算法)可用於更快解算各種問題。此可被視作由以下事實所致：量子位元不是循序運行通過各可行狀態，而是同時處於狀態之所有可行組合中。當一量子位元可被視作一經典0、一經典1或兩種狀態之一疊加時，一量子迪特可被視作0、1、...、n-1或n種狀態之任何者之一疊加。
通用量子電腦有望加快若干運算(諸如大數因式分解、搜尋演算法及量子模擬)之處理時間，但此等量子電腦之開發進度受阻於需要高度精確控制量子態。
就量子位元而言，滿足量子位元算子
、
及
(其中
、
及
係包立(Pauli)算子)之任何二能階系統基本上可用於界定一量子位元。
算子之本徵態可為(例如)一基態|g〉及一激發態|e〉。基態係具有
之
算子之+1本徵態，且激發態係具有
之
算子之-1本徵態。然而，一量子位元可存在於其本徵態之一疊加|Ψ〉=α|g〉+β|e〉中。以Z為基礎之量子位元之一量測通常會將量子位元以取決於參數α及β之一概率投影至基態或激發態上。一狀態投影可由一量測有意引起或可由量子位元與環境相互作用非有意引起。此非有意狀態投影引起量子誤差。因此，可藉由引入隨機
相位翻轉運算或
位元翻轉運算來模型化量子位元誤差。
量子電腦開發之一主要障礙係去同調(一量子態與外部世界之非預期相互作用)導致一量子資訊損失。量子誤差校正可用於保護量子資訊免受歸因於去同調及其他雜訊源之誤差。實際上，吾人可使一邏輯量
子位元由複數個物理量子位元建構，使得可以比任何個別物理量子位元更高精度處理邏輯量子位元。
構建一量子電腦之一方法係基於操作為穩定子碼之表面碼。理論上，表面碼歸因於其對局部誤差之相對較高容限而提供顯著優點。在一典型表面碼中，使用一系列物理量子位元「控制反(CNOT)」運算將物理量子位元糾纏在一起，其中糾纏態之後續量測提供誤差校正及誤差偵測之一方式。依此方式糾纏之一組物理量子位元用於界定一邏輯量子位元，其歸因於糾纏及量測而具有比基本物理量子位元好很多之效能。
為介紹表面碼量子運算(包含「元格(plaquette)」之一界定)，讀者要些時間閱讀Fowler等人之「Surface codes：Towards practical large-scale quantum computation」，Physical Review A，第86卷，第3期，032324，2012年9月18日公開。
在一典型二維表面碼結構中，複數個「資料量子位元」穿插有複數個「輔助量子位元(亦稱為「量測量子位元」)」。圖1中展示一典型表面碼結構100。在糾纏物理量子位元之二維陣列中，複數個資料量子位元110(展示為黑圈)穿插有複數個輔助量子位元120(展示為白圈)。資料量子位元110與輔助量子位元120之間的直接相互作用(其可為直接交換相互作用)用於操縱結構100之量子資訊。除邊界之外，各資料量子位元110耦合至四個輔助量子位元120，且各輔助量子位元120與四個資料量子位元110耦合。輔助量子位元120用於穩定及操縱資料量子位元110之量子態。量子邏輯閘可藉由在涉及一資料量子位元110及一輔助量子位元120兩者之最近相鄰量子位元之間執行兩量子位元量測之組合(諸如控制NOT閘(CNOT)、對資料量子位元之單一量子位元運算及對輔助量子位元之量
測)來實施。
儘管表面碼結構(諸如圖1中所展示之表面碼結構)在理論上係容錯的，但仍會存在(例如)電荷至運算子空間外部之物理態的大量洩漏，其取決於表面碼結構依賴之物理系統之性質。洩漏可歸因於(例如)陣列之一位點處之一電子穿隧通過至一相鄰位點。此洩漏可導致運算誤差，其無法經由標準表面碼協定校正。
本發明提供能夠減輕一些上述問題之裝置、結構及設備。
本文描述一種裝置，裝置適合於量子資訊處理。裝置包括用於侷限自旋電荷載體用作量子迪特之第一複數個侷限區域。裝置進一步包括用於侷限自旋電荷載體之第二複數個侷限區域。第二複數個侷限區域之各侷限區域相鄰於第一複數個侷限區域之至少一侷限區域。裝置進一步包括一或多個電荷庫。第二複數個侷限區域之各侷限區域可附接至一或多個電荷庫之一電荷庫。
第一複數個侷限區域可包括侷限區域之若干子集。特定言之，第一複數個侷限區域可包括用於侷限自旋電荷載體用作資料量子迪特之侷限區域之一第一子集(本文中有時指稱資料區域)，且可包括用於侷限自旋電荷載體用作輔助量子迪特之侷限區域之一第二子集(本文中有時指稱輔助區域)。侷限區域之第二子集之各侷限區域可耦合至用於量測一輔助量子迪特之一量測設備。
第二複數個侷限區域之各侷限區域可位於第一複數個侷限區域之兩個侷限區域之間且可在使用中中介第一複數個侷限區域之侷限區域之間的相互作用。例如，第二複數個侷限區域之各侷限區域可位於侷限
區域之第一子集之一第一侷限區域與侷限區域之第二子集之一第二侷限區域之間且適合用於中介第一侷限區域之一資料量子迪特與第二侷限區域之一輔助量子迪特之間的相互作用。
裝置可用於表面碼量子資訊處理。在以下描述中，已參考表面碼量子資訊處理及儲存描述本文中所揭示之裝置及用於控制及使用裝置之方法。然而，熟習技術者應瞭解，本文中所揭示之裝置可與其他量子資訊處理方法(例如一2-D色碼方案)一起使用。
有利地，熟習技術者應瞭解，本文中所揭示之裝置提供量子資訊處理之諸多優點。特定言之，裝置能夠減輕洩漏誤差。
術語「洩漏誤差」係指逃離運算子空間之量子系統之狀態。典型量子誤差校正協定未被設計用於處置洩漏誤差。若無任何校正協定，即使發生此等洩漏誤差之比率非常小，但其仍會隨運算進行而持續及累積，且最終破壞儲存於結構中之邏輯量子位元。已基於洩漏誤差之性質之各種假定提出應對洩漏誤差之一般方案。為校正洩漏誤差，吾人可偵測洩漏誤差且替換經洩漏量子位元。替代地，吾人可將洩漏減少協定應用於所有量子位元，其將在不影響正常量子位元之情況下理想地恢復經洩漏量子位元。使用此等方法，可將洩漏誤差變換成可由量子誤差校正碼處置之運算誤差。實際上，洩漏誤差之來源、影響及解決方案非常依賴硬體。
本文中所描述之裝置本身能防洩漏誤差。本文中所描述之裝置包含用於侷限自旋電荷載體之第二複數個侷限區域，且進一步包含一或多個電荷庫。第二複數個侷限區域之各侷限區可中介第一複數個侷限區域之量子迪特(例如侷限區域之第一子集之一資料量子迪特與侷限區域之第二子集之一輔助量子迪特)之間的相互作用。第二複數個侷限區域之各
侷限區域可耦合至一或多個電荷庫之一電荷庫。若一電荷載體自一相鄰侷限區域洩漏至第二複數個侷限區域之一侷限區域(或反之亦然)，則電荷庫可耦合至該侷限構造以重設系統之電荷。依此方式，裝置能夠減輕洩漏誤差。
在本發明中，已使用術語「侷限區域」。熟習技術者應瞭解，此一術語應被廣義解譯為其中可侷限或含有被視作一量子物件之一電荷載體的一區域，但此一侷限區域之一能量邊界可使用(例如)電場調整。一侷限構造可容許量子穿隧。術語「區域」應被理解為具有任何適合維度。例如，一侷限區域可包括一量子點(其通常被視作一「零維」構造，但更適合被視作在所有三個維度上具有小但有限範圍之一電位井)或一量子井。因此，一侷限區域/侷限構造可被視作其中可侷限一電荷載體之一低維特徵。
在本發明中，已使用術語「資料量子迪特」。一資料量子迪特可被視作量子資訊之一單位，但其在本發明中不意欲使用經典讀出/量測設備直接讀取。相比而言，一「輔助量子迪特」可被視作意欲用於量測之一量子迪特。輔助量子迪特之仔細操縱可用於讀取或處理儲存於資料量子迪特中之資訊。術語「資料量子迪特」及「輔助量子迪特」分別係其唯一可用邏輯狀態係0、1或0及1之一疊加之資料量子迪特及輔助量子迪特。
在本發明中，第二複數個侷限區域之一侷限區域有時指稱一介體區域或在本文所描述之一實例中指稱一介體點。此等介體區域可用於中介(第一複數個侷限區域之)相鄰侷限區域中之一資料量子迪特與一輔助量子迪特之間的相互作用。
一中介相互作用可被理解為意謂相鄰侷限區域之間的一中介交換耦合，使得自旋電荷載體可(在裝置在使用中時)穿隧於位點之間。
熟習技術者應瞭解，本文中所使用之術語「中介相互作用」包括實質上同時影響(例如)資料量子迪特及輔助量子迪特之一相互作用。例如，介體區域經組態以在實質上相同於調諧至正確能階之時間與相鄰資料區域及相鄰輔助區域相互作用以實現資料區域與介體區域之間及介體區域與輔助區域之間的一耦合相互作用且因此乃至形成資料區域與輔助區域之間的一耦合。
在本文所描述之裝置中，第二複數個侷限區域之各侷限區域可耦合至一或多個電荷庫之一電荷庫。在此意義上，「可耦合」可被視作意謂「可充電耦合」。例如，一電荷庫可耦合至第二複數個侷限區域之一侷限區域，使得一電荷載體可在侷限區域與電荷庫之間行進。可(例如)藉由調諧侷限區域與電荷載體之間的一相互作用強度來達成耦合。
各量子迪特可包括一量子位元。
侷限區域之第一子集(資料區域)之各侷限區域可包括一量子點(本文中通常指稱一「資料點」)。侷限區域之第一子集之各量子點可具有5nm至100nm之間(例如28nm至60nm之間)的一直徑以提供便於與標準CMOS處理相容之一大小。
侷限區域之第二子集(輔助區域)之各侷限區域可包括一量子點(本文中通常指稱一「輔助點」)。
已提出表面碼結構用於引導包含超導量子位元及捕獲離子之量子資訊處理平台。據估計，需要具有閘誤差率約10-3之2×108個以上量子位元來使用表面碼執行一非普通舒爾(Shor)因式分解演算法。若吾人
將試圖使用超導量子位元來建構用於表面碼處理之一裝置，則所得裝置大小將非常大(面積約為1平方米)。非固態量子位元(諸如捕獲離子)所需之結構將可能比超導量子位元之結構大幾個數量級。製造此大小之量子處理器及/或產生所需低溫環境遠遠超出當今技術。然而，可使基於量子點(例如矽量子點)且根據量子位元之一類似數目擴充之一量子資訊處理裝置明顯小於用於超導量子位元之量子資訊處理裝置(面積約為1平方毫米)。此高量子位元密度及可利用既有半導體積體電路產業可用之技術使矽量子點自旋(SS)量子位元成為一可擴充量子資訊處理裝置之一有力候選者。
侷限區域之第二子集(輔助區域)之各侷限區域可包括一對量子點。一對量子點之提供帶來若干優點，如下文將在[實施方式]中進一步解釋。
第二複數個侷限區域之各侷限區域(介體區域)可包括一量子點(其可指稱一「介體量子點」或一「介體點」)。介體量子點可適合於侷限一或多個自旋電荷載體，例如兩個自旋電荷載體。在一些實例中，第二複數個侷限區域之各侷限區域適合於侷限四個自旋電荷載體。侷限於介體點之電荷載體不意欲攜帶量子資訊。
使用SS量子位元來擴充裝置面臨諸多挑戰。SS量子位元之高量子位元密度導致封裝經典控制線、避免串擾及散熱之挑戰。例如，若吾人考量圖1之傳統結構包括矽量子點，則可歸因於點之間的洩漏而引入雜訊及其他誤差，且在不干擾其他量子點的情況下使用經典控制線與個別量子點相互作用之困難令人望而卻步。儘管本技術中已提出關於可如何實施此等基於SS量子位元之表面碼結構之若干建議，但此等之各者自身存在缺陷。更重要的是，此等結構之任何者無法解決如何減輕洩漏誤差之問
題，其涉及量子系統逃離運算子空間。SS量子位元之控制涉及調諧穿隧能障、改變在位能及/或使電子自一位置穿梭至另一位置，且所有此等操作易使電子最終處於錯誤量子點上，其等效於一電荷洩漏誤差。在已知表面碼結構中，誤差校正循環之成功實施在很大程度上依靠系統呈正確電荷組態之假定。若發生一電荷洩漏事件，則誤差會依一不可控方式傳播。由於此等洩漏誤差無法由通常量子誤差校正協定校正(或甚至會加劇)，因此其會累積且最終破壞表面碼，即使此等洩漏誤差之可能性非常小。
有利地，在實例中，本文中之裝置包含複數個介體點，其中複數個介體點之各介體點經定位以中介一相鄰資料點與一相鄰輔助點之間的一相互作用。因此，介體點有助於隔開資料點及輔助點，同時仍實現資料點與輔助點之間的相互作用。資料點及輔助點之此隔開有助於充分隔離資料點及輔助點，使得經典控制線可用於定址個別量子位元。此外，在實例中，各介體點可耦合至一電荷庫以重設裝置以藉此避免洩漏誤差。
在實例中，至少一些介體點係伸長量子點。因此，各介體點可實質上在相鄰資料點及輔助資料點位於其上之線之方向上伸長。即，各介體點可在相鄰資料點及相鄰輔助點之方向上伸長。伸長介體點有助於進一步隔開資料點及輔助點以允許在其等之間定位經典控制線。
各介體點/介體量子點可具有5nm至100nm之間且不小於資料點之直徑的一第一尺寸及50nm至1000nm之間的一第二尺寸。應注意，第二尺寸之下限一般亦受第一尺寸之所選值約束，其應小於50nm。
根據本文中所描述之裝置之實例，第二複數個侷限區域之各侷限區域位於第一複數個侷限區域之第一子集之一第一侷限區域與第一複數個侷限區域之第二子集之一第二侷限區域之間；且第一侷限區域與第
二侷限區域之間的距離可在50nm至1000nm之間。
根據本文中所描述之裝置之實例，第二複數個侷限區域之各侷限區域位於第一複數個侷限區域之第一子集(資料區域)之一第一侷限區域與第一複數個侷限區域之第二子集(輔助區域)之一第二侷限區域之間；且第二複數個侷限區域之侷限區域與第一侷限區域之間的距離可在0.5nm至20nm之間；且第二複數個侷限區域之侷限區域與第二侷限區域之間的距離可在0.5nm至20nm之間。
自旋電荷載體可為電子。自旋電荷載體可為電洞。自旋電荷載體可為在資料量子位元位置處植入之施體或受體離子。
裝置可進一步包括一量測裝置/量測設備。量測設備可經組態以量測一或多個輔助量子迪特之一狀態。
裝置可用於表面碼量子資訊處理。
裝置可進一步包括經組態以引起一磁場施加於第一複數個侷限區域以分離第一複數個侷限區域中之電荷載體之自旋態之能階的一控制器。
裝置可進一步包括經組態以引起一振盪磁場施加於資料區域及輔助區域之一控制器。振盪磁場可具有實質上匹配資料區域及/或輔助區域中之電荷載體之一塞曼(Zeeman)分裂之一頻率。此一振盪磁場可用於執行單量子位元邏輯閘運算。
裝置可進一步包括經組態以引起第二複數個侷限區域之至少一侷限區域耦合至一電荷庫以使一電荷載體能夠轉移於電荷庫與第二複數個侷限區域之至少一侷限區域之間的一控制器。
裝置可進一步包括複數個微磁體，各微磁體經配置成接近
第一複數個侷限區域之一侷限區域且特定言之，接近一資料區域。熟習技術者應瞭解，術語「微磁體」應被解釋為任何適合大小磁體(例如一奈米級大小磁體)，且不應被解釋為僅限於為一微米級大小磁體。有利地，一微磁體可用於提供一資料區域之一高度局部化磁場梯度。此一磁場梯度用於加速實施量子邏輯閘運算所需之時間。
本文揭示一種用於控制用於量子資訊處理之一裝置之電荷穩定性的方法。裝置包括侷限自旋電荷載體用作量子迪特之第一複數個侷限區域。裝置進一步包括侷限自旋電荷載體之第二複數個侷限區域，第二複數個侷限區域之各侷限區域相鄰於第一複數個侷限區域之一侷限區域。裝置進一步包括一或多個電荷庫，其中第二複數個侷限區域之各侷限區域可附接至一或多個電荷庫之一電荷庫。用於控制電荷穩定性之方法包括：選擇性調諧第一複數個侷限區域及第二複數個侷限區域之相鄰侷限區域之相對能階，使得若一自旋電荷載體自第一複數個侷限區域之一侷限區域洩漏，則替換自旋電荷載體以確保第一複數個侷限區域之侷限區域再次含有用作一量子迪特之一自旋電荷載體。
有利地，藉由依此一方式調諧侷限區域之能階來維持裝置之電荷穩定性。特定言之，任何電荷洩漏誤差變成僅運算誤差，因為歸因於侷限區域之相對能階而替換自裝置之一量子位元區域漏出之任何電子。
調諧侷限區域之相對能階可包括：調諧侷限區域之能階，使得第二複數個侷限區域之一侷限區域之最高占有能階低於第一複數個侷限區域之相鄰侷限區域之一所要最低未占有能階且大於第一複數個侷限區域之相鄰侷限區域之最高占有能階。
第二複數個侷限區域之各侷限區域可位於第一複數個侷限
區域之兩個侷限區域之間且用於中介第一複數個侷限區域之該等兩個侷限區域之間的相互作用。方法可進一步包括藉由控制第二複數個侷限區域之侷限區域及第一複數個侷限區域之各自兩個相鄰侷限區域之能階來選擇性促進第一複數個侷限區域之侷限區域對之間的同調自旋相互作用。促進第一複數個侷限區域之侷限區域對之間的相互作用可包括引起一或多個電場施加於該等侷限區域以使該等侷限區域中之自旋電荷載體之能階實質上對準。促進第一複數個侷限區域之侷限區域對之間的同調自旋相互作用可包括引起一或多個電場施加於該等侷限區域以暫時減少第二複數個侷限區域之侷限區域與第一複數個侷限區域之各自兩個相鄰侷限區域之間的失諧。
第一複數個侷限區域可包括侷限區域之一第一子集及一第二子集，侷限區域之第一子集(資料區域)侷限自旋電荷載體用作資料量子迪特，侷限區域之第二子集(輔助區域)侷限自旋電荷載體用作輔助量子迪特，侷限區域之第二子集之各侷限區域可耦合至用於量測一輔助量子迪特之一量測設備。方法可進一步包括量測第二複數個侷限區域之一侷限區域中之一輔助量子迪特之一狀態。
方法可進一步包括將第二複數個侷限區域之侷限區域選擇性附接至一或多個電荷庫之對應電荷庫以促進電荷載體穿隧於第二複數個侷限區域與一或多個電荷庫之間。附接可包括調諧第二複數個侷限區域之侷限區域與對應電荷庫之間的一相互作用強度以促進一或多個電荷載體轉移於第二複數個侷限區域與對應電荷庫之間。
將一電荷區域附接至另一電荷區域(例如，將一電荷庫附接至第二複數個侷限區域之一侷限區域)被理解為意謂調整兩個電荷區域之間的能障，使得能障變窄及/或變低以增加兩者之間的穿隧能且因此實現
電荷區域之間的非同調電荷跳躍(電荷弛豫)(即，使兩個電荷區域能夠在其等之間建立電荷平衡)。將一侷限區域附接至一電荷庫可包括調整界定各種區域之電極之電位，使得侷限區域及電荷庫不被主動「夾止」(即，其等之間的一能障變窄或變低且穿隧因此更有可能遠超一所要時間標度)。使一侷限區域脫離一電荷庫包括增加/加寬兩者之間的能障，使得兩者之間的電荷弛豫時間將比裝置之一使用循環長得多。實際上，當侷限區域脫離電荷庫時，侷限區域與電荷庫之間的電荷轉移不太可能被忽略。
在本文所描述之實施例中，用於控制電荷穩定性之方法包括選擇性調諧第一複數個侷限區域及第二複數個侷限區域之相鄰侷限區域之相對能階。實際上，在所描述之諸多裝置中，第一複數個侷限區域及第二複數個侷限區域係「附接」(即，其等之間的穿隧能障較低)且僅藉由調諧第一複數個侷限區域及第二複數個侷限區域之相鄰侷限區域之相對能階來維持電荷穩定性。然而，熟習技術者應瞭解，吾人可藉由提高第一複數個侷限區域與第二複數個侷限區域之間的能障(即，脫離)來進一步控制裝置之電荷穩定性。
方法可進一步包括使第二複數個侷限區域之侷限區域選擇性脫離一或多個電荷庫之對應電荷庫以阻止電荷載體穿隧於第二複數個侷限區域與一或多個電荷庫之間。脫離可包括調諧第二複數個侷限區域與對應電荷庫之間的一相互作用強度以阻止一或多個電荷載體轉移於該侷限區域與對應電荷庫之間。
方法可用於引起在裝置上實施一或多個量子電路。
引起在裝置上實施一量子電路可包括選擇性促進第一複數個侷限區域之侷限區域對之間的相互作用以實施一或多個量子處理運算。
引起在裝置上實施一量子電路可包括將第二複數個侷限區域選擇性附接至對應電荷庫。引起在裝置上實施一量子電路可包括隨後使第二複數個侷限區域脫離對應電荷庫。
一量子電路可包括若干群組之量子處理運算。引起在裝置上實施量子電路可包含選擇性促進第一複數個侷限區域之一第一群組之侷限區域對之間的相互作用以實施一或多個量子處理運算之一第一群組。引起在裝置上實施量子電路可包含在實施一或多個量子處理運算之各進一步群組之前，將第二複數個侷限區域選擇性附接至對應電荷庫且隨後使第二複數個侷限區域脫離對應電荷庫以校正電荷位移誤差。
有利地，藉由在各群組運算之間執行此一主動重設來減輕各組運算之間的洩漏誤差，因此，一旦執行量子邏輯閘之所有運算，則誤差之數目顯著小於無主動重設時之情況。
引起在裝置上實施一量子電路可包含選擇性量測第一複數個侷限區域之一子集中之量子迪特之量子態以實施量子處理運算。
量子電路可為一穩定子檢查電路。
本文揭示一種用於初始化用於量子資訊處理之一裝置的方法，其中用於量子資訊處理之裝置包括：第一複數個侷限區域，其等用於在將一磁場施加於第一複數個侷限區域時侷限自旋電荷載體用作量子迪特；第二複數個侷限區域，其等用於侷限自旋電荷載體，第二複數個侷限區域之各侷限區域相鄰於第一複數個侷限區域之一侷限區域；及一或多個電荷庫，其中第二複數個侷限區域之各侷限區域可耦合至一電荷庫。方法包括針對第二複數個侷限區域之各侷限區域，將侷限區域附接至一或多個電荷庫之一電荷庫以使至少一電荷載體能夠穿隧於電荷庫與侷限區域之
間。方法進一步包括針對第二複數個侷限區域之各侷限區域，調諧侷限區域及第一複數個侷限區域之相鄰侷限區域之相對能階，使得若一自旋電荷載體自第一複數個侷限區域之相鄰侷限區域洩漏，則替換自旋電荷載體以確保第一複數個侷限區域之相鄰侷限區域再次含有用作一量子迪特之一自旋電荷載體。方法進一步包括針對第二複數個侷限區域之各侷限區域，使侷限區域脫離電荷庫以阻止電荷載體穿隧於侷限區域與電荷庫之間。
方法可進一步包括引起一磁場施加於第一複數個侷限區域以分離侷限於其內之電荷載體之自旋態之能階。
本文揭示一種設備/控制器。設備包括一或多個記憶體/記憶體單元。設備進一步包括一或多個處理器，其經組態以按照儲存於記憶體中之指令行動且引起本文中所描述之一方法被實施。
本文揭示一種設備/控制器，設備用於控制用於量子資訊處理之一裝置之電荷穩定性。用於量子資訊處理之裝置包括侷限自旋電荷載體用作量子迪特之第一複數個侷限區域。用於量子資訊處理之裝置進一步包括侷限自旋電荷載體之第二複數個侷限區域，第二複數個侷限區域之各侷限區域相鄰於且耦合至第一複數個侷限區域之一侷限區域。用於量子資訊處理之裝置進一步包括一或多個電荷庫，其中第二複數個侷限區域之各侷限區域可附接至一或多個電荷庫之一電荷庫。用於控制電荷穩定性之設備包括一或多個記憶體/記憶體單元。設備進一步包括一或多個處理器。一或多個處理器經組態以選擇性調諧第一複數個侷限區域及第二複數個侷限區域之相鄰侷限區域之相對能階，使得若一自旋電荷載體自第一複數個侷限區域之一侷限區域洩漏，則替換自旋電荷載體以確保第一複數個侷限區域之侷限區域再次含有用作一量子迪特之一自旋電荷載體。
第二複數個侷限區域之各侷限區域可位於第一複數個侷限區域之兩個侷限區域之間。一或多個處理器可進一步經組態以藉由控制第二複數個侷限區域之侷限區域及第一複數個侷限區域之各自兩個相鄰侷限區域之能階來選擇性促進第一複數個侷限區域之侷限區域對之間的同調自旋相互作用。
一或多個處理器可進一步經組態以將第二複數個侷限區域之侷限區域選擇性附接至一或多個電荷庫之對應電荷庫以使電荷載體能夠穿隧於第二複數個侷限區域與一或多個電荷庫之間。
設備可經組態以引起在裝置上實施一或多個量子電路。
引起在裝置上實施一量子電路可包括選擇性促進第一複數個侷限區域之侷限區域對之間的同調自旋相互作用以實施一或多個量子處理運算。引起在裝置上實施一量子電路可包括將第二複數個侷限區域之侷限區域選擇性附接至一或多個電荷庫之對應電荷庫且隨後使第二複數個侷限區域之侷限區域脫離一或多個電荷庫之對應電荷庫以校正任何電荷位移誤差。
一量子電路可包括若干群組之量子處理運算。引起在裝置上實施量子電路可包含選擇性促進第一複數個侷限區域之一第一群組之侷限區域對之間的同調自旋相互作用以實施一或多個量子處理運算之一第一群組。引起在裝置上實施量子電路可包含在實施一或多個量子處理運算之各進一步群組之前，將第二複數個侷限區域選擇性附接至對應電荷庫且隨後使第二複數個侷限區域脫離對應電荷庫以校正電荷位移誤差。
根據本發明之一態樣，提供一種電腦可讀媒體，電腦可讀媒體上儲存有指令，指令在由一處理器執行時引起本文中所描述之一方法
被實施。電腦可讀媒體可包括一非暫時性電腦可讀媒體。
可將用於執行諸如本文中所描述之方法之一電腦程式及/或代碼/指令提供給一電腦可讀媒體或電腦程式產品上之一設備，諸如一電腦。電腦可讀媒體可為(例如)一電子、磁性、光學、電磁、紅外線或半導體系統或用於資料傳輸(例如用於通過網際網路下載代碼)之一傳播媒體。替代地，電腦可讀媒體可呈一實體電腦可讀媒體之形式，諸如半導體或固態記憶體、磁帶、一可抽換電腦磁碟、一隨機存取記憶體(RAM)、一唯讀記憶體(ROM)、一硬磁碟及一光碟，諸如一CD-ROM、CD-R/W或DVD。
鑑於本文中呈現之教示，此等發明所屬技術之熟習者將想到本文中所闡述之發明之諸多修改及其他實施例。因此，應瞭解，本發明不受限於本文中所揭示之特定實施例。此外，儘管本文中所提供之描述在元件之某些組合之背景中提供實例實施例，但可在不背離本發明之範疇的情況下由替代實施例提供步驟及/或功能。
100:表面碼結構
110:資料量子位元/資料點
120:輔助量子位元/輔助點
200:二維陣列/表面碼結構
210:資料點/量子位元區域
220:輔助點/量子位元區域
230:介體點/介體區域
240:量測裝置
250:電荷庫
260:傳導引線
270:閘控制單元
710:矽基板
720:歐姆植入區域
730:接點
740:多晶矽電極
750:金屬電極
760:金屬電極
770:進一步金屬電極
780:進一步金屬電極
810:氧化矽層
820:ALD氧化物
830:進一步氧化矽層
1000:電荷載體/電子
1010:步驟
1020:步驟
1030:步驟
1200:控制器/運算設備
1210:處理器
1220:記憶體
1230:視覺顯示器
1240:鍵盤
1250:通信模組
1260:埠
1270:電源
1300:磁體
1310:步驟
1320:步驟
1330:步驟
1410:第一分區
1420:第二分區
1430:第三分區
1440:第四分區
1510:步驟
1520:步驟
1530:步驟
1540:步驟
1550:步驟
1560:步驟
1570:步驟
參考圖式，現將僅依舉例方式描述本發明之說明性實施例。在圖式中：圖1係包括資料量子迪特及輔助量子迪特之一典型、已知、表面碼結構之一說明圖；圖2係根據本發明之一實施例之一表面碼結構之一說明圖；圖3繪示圖2之結構中之能階及量子點之間的轉變；圖4展示用於實施一控制Z閘之一量子電路圖；圖5展示用於實施一控制Z閘之一量子電路圖；
圖6A係一表面碼結構之一「單元胞」之一說明圖，其展示除圖2中所展示之組件之外的組件。
圖6B係由多個圖6A中所展示之單元胞形成之一表面碼結構之一說明圖。
圖7A繪示用於量子資訊處理之一裝置之一第一層之一區段；圖7B繪示圖7A中所展示之用於量子資訊處理之裝置之一第二層之一區段；圖7C繪示圖7A中所展示之用於量子資訊處理之裝置之一第三層之一區段；圖7D繪示圖7A中所展示之用於量子資訊處理之裝置之一第四層之一區段；圖7E繪示圖7A中所展示之用於量子資訊處理之裝置之一第五層之一區段；圖7F繪示圖7E中所描繪之裝置上之量子點之位置。
圖8A繪示圖7E中所繪示之裝置結構之一第一視點；圖8B繪示圖7E中所繪示之裝置結構之一第二視點；圖8C繪示圖7E中所繪示之裝置結構之一第三視點；圖9繪示用於量子資訊處理之另一裝置之一區段，且特定言之，一單元胞，且特定言之，諸如包含磁體之圖7E中所展示之單元胞之一單元胞；圖10展示用於初始化本文中所描述之一裝置之一方法之一流程圖；圖11A展示指示初始化之前的本文中所描述之一裝置之一區段中之電荷載體之一配置之一說明圖；
圖11B展示指示初始化之後的本文中所描述之一裝置之一區段中之電荷載體之一配置之一說明圖；圖12係一控制器之一方塊圖；圖13展示用於操作本文中所描述之一裝置之一方法之一流程圖；圖14展示用於實施一穩定子檢查之一量子電路圖；及圖15係用於實施包括若干量子運算之一量子電路之一流程圖。
在[實施方式]及圖式中，相同元件符號係指相同部件。
本發明係關於一種用於量子資訊處理之改良裝置及用於控制此一裝置之方法。儘管下文將描述各種實施例，但本發明不受限於此等實施例，且熟習技術者應瞭解，可在不背離本發明之範疇的情況下變動此等實施例。
為了論述，下文將描述用於基於量子位元(且特定言之，其中電子自旋態含有資訊之矽量子點自旋量子位元)來處理量子資訊之裝置。因此，描述裝置，其包括：第一複數個量子點，其等用於侷限電子用作量子位元；第二複數個量子點，其等用於侷限電子，第二複數個量子點之各者相鄰於第一複數個侷限區域之一侷限區域；及一或多個電荷庫，其中第二複數個量子點之各量子點可耦合/可附接至一或多個電荷庫之一電荷庫。在本文所描述之諸多實施例中，第二複數個量子點之各量子點位於第一複數個量子點之兩個量子點之間且用於中介該等兩個侷限區域之間的相互作用。因此，第二複數個量子點在本文中通常指稱「介體點」。
在本文所描述之諸多實施例中，第一複數個量子點包括用於侷限電子用作資料量子位元之量子點之一第一子集(資料點)及用於侷限
電子用作輔助量子位元之量子點之一第二子集(或量子點對)(亦指稱輔助點)。各介體點可位於一資料點與一輔助點/一對輔助點之間。
圖2展示根據一實例之二維陣列200之一圖式。陣列200可形成於用於量子資訊處理之一裝置內/上。本實例之表面碼結構200包含用於侷限自旋電荷載體用作量子位元之第一複數個侷限區域。第一複數個侷限區域包括用於侷限自旋電荷載體用作資料量子位元之侷限區域之一第一子集及用作輔助量子位元之侷限區域之一第二子集。特定言之，侷限區域之第一子集包括複數個侷限構造，其等在本實例中係量子點且在下文中相對於此實例指稱資料點210。
各資料點210由一電子(未展示)占有，電子之自旋態表示一物理資料量子位元。可使一恆定磁場實質上垂直於陣列之平面(在將視為Z方向之方向上)穿過陣列200以消除資料點中電子之自旋態之簡併性。在此實例中，陣列200被視作在X及Y方向上延伸。
可經由電子自旋共振(ESR)執行一單量子位元邏輯閘運算，其中施加垂直於Z方向(例如在X方向上)且頻率匹配電子自旋之塞曼分裂之一振盪磁場以驅動其旋轉。單量子位元可定址性可藉由經由斯塔克(stark)移位使個別自旋之共振頻率移位來達成。一單量子位元ESR閘之保真度已被證明高達99.9%，但可相對較慢，其取決於外加振盪磁場之量值。
為了此實例，資料點210被視作大致呈圓形形狀。資料點210之直徑係約50nm。如此小之一大小將導致大庫侖斥力U約10THz以防止資料點之雙自旋占有。
第一複數個侷限區域進一步包含用於侷限自旋電荷載體用
作輔助量子位元之侷限區域之一第二子集。特定言之，侷限區域之第二子集之各侷限區域包括兩個侷限構造，其等在本實例中包括量子點。即，在圖2所展示之實例中，侷限區域之第二子集之各侷限區域包括一對量子點220，其等在下文中指稱輔助點220。各輔助點可耦合至用於量測儲存於輔助點中之一電子之一量子態之一量測設備(表示為240)。本實例之各輔助點220具有實質上相同於資料點210之大小。即，各輔助點220具有約50nm之一直徑。
一輔助量子位元由輔助點對220中電子對之自旋態表示。藉由將裝置初始化為一單重態，若一誤差導致一失敗穩定子檢查，則輔助點中電子對之自旋態將變換成三重態。因此，吾人可使用自一點至另一點之包立自旋阻塞自旋相依穿隧來判定穩定子檢查之結果。
可耦合至輔助點220之量測裝置240用於分散讀出穿隧結果。輔助量子位元藉由組態輔助使得兩個可用量子點220之一者由兩個電子雙重占有來初始化。此處，基態係單重態，其可透過(1,1)-(0,2)電荷轉變附近之「熱點」弛豫來快速準備。
此雙點輔助量子位元具有相較於單點輔助量子位元之若干優點。
第一，當使用一單一輔助點220代替一對輔助點220時，通常經由自旋相依穿隧至一相鄰讀出點來達成單點輔助之量測讀出。在表面碼中，此意謂輔助點需要具有緊挨著其之一讀出點及四個資料點。另一方面，針對諸如陣列200中之一雙點輔助，各輔助點220將僅連接至兩個資料點210及另一輔助點220。因此，當使用一雙點輔助時，二維陣列比使用一單點輔助時整齊得多。
第二，儘管一單點輔助可用於在以Z(X)為基礎而準備及量測時偵測X(或Z)誤差，但雙點輔助可用於在以單重態準備時偵測X誤差及Z誤差兩者，因為X誤差及Z誤差兩者會將單重態變成三重態之一者。此意謂吾人可將所有輔助全域初始化為相同狀態且依相同方式量測其，不管其對應何種穩定子檢查。無需更改量測基礎，吾人亦減輕將哈達瑪(Hadamard)閘應用於輔助之需求。與單點輔助情況不同，以Z(X)為基礎之初始化及量測不受Z(X)誤差影響。
第三，在兩個自旋之交換下對稱之運算無法將量子態帶出單重態(交換反對稱)或三重態(交換對稱)子空間。因此，可將全域ESR(單一量子位元閘)應用於所有資料量子位元且不影響雙點輔助，其對在表面碼之X穩定子檢查與Z穩定子檢查之間切換有用。歸因於兩個輔助點自旋之間的殘餘交換相互作用，雙點輔助之初始化及量測亦不易受雜訊影響。
第四，輔助雙點與兩個資料量子位元之間的相互作用可實質上並行發生以使執行穩定子檢查所需之時間減半。
陣列200進一步包含用於侷限自旋電荷載體之第二複數個侷限區域。在圖2之實例中，此第二複數個侷限區域包括複數個伸長雙電子量子點，其等用於中介一資料量子位元與一輔助量子位元之間的相互作用。即，第二複數個侷限區域之各侷限區域包括位於一資料點與一輔助點之間的一伸長量子點(下文中指稱一介體點230)，且其中介體點侷限兩個電子。
為使用圖2之結構200，侷限於介體點230中之電子不攜帶任何量子資訊--圖2之結構200之運算子空間包括資料點210及輔助點220中電子之自旋態。
為處理量子資訊，需要兩量子位元閘，使得一輔助量子位元及一資料量子位元相互作用。經由經由介體點230之資料點210與輔助點220之間的中介交換耦合來達成兩量子位元閘，且此繪示於圖3中。
圖3中繪示三點系統。圖3描繪三個量子點之能階，其中點L在左手側，一介體點230在中間，且點R在右手側。左點L可表示一資料點210且右點R可表示一輔助點220(即，一對輔助點220之一半)。替代地，左點L可表示一輔助點220且右點R可表示一資料點210。此三點模型系統中存在四個電子。各側點(L及R)在軌道L/R中填充有一個電子。中間介體點230以其基態將兩個電子侷限於軌道1中且無電子侷限於軌道2中。為了此論述，假定側點處之電子-電子排斥能係如此大(歸因於其小尺寸)以致在側點中不可能有電子之雙重占有。圖3中之箭頭表示可發生之可能電子躍遷，且標籤指示自基態躍遷之能量成本。
側點中之電子與以下方程式之一交換耦合強度相互作用：
其中t ab 係自軌道a至軌道b之穿隧能且△ R 、△ M 及△ L 係圖3中所展示之各種電子躍遷所需之能量。
在此實例中，介體點230具有約50nm×約300nm之一大小，其隱含△ M 約10GHz之一介體量子躍遷能。介體點230與資料/輔助點之間的間隔係約10nm以導致t約1GHz之穿隧能。藉由調諧介體點230之在位能，吾人可同時改變△ R/L 之值且因此控制交換相互作用之強度。△ R/L 由資料點之穿隧能定下界且由資料點之庫侖排斥能定上界。因此，為了此實例，吾人可選擇△ R/L =△ on =10GHz來開啟交換相互作用及選擇△ R/L =△ off =3THz來關閉交換相互作用。
使用方程式1，當開啟時，交換相互作用之強度係：
且當關閉時，殘餘強度係：
此小殘餘交換相互作用將導致遠低於表面編碼之臨限值之約為以下概率之一誤差且因此可在論述之剩餘部分中安全忽略：
為控制中介交換，吾人僅需調諧介體點之在位能，而無需調諧點之間的穿隧能。有利地，此意謂無需在點之間實施穿隧閘，其可歸因於穿隧閘之小特徵大小而較困難且會增加經典控制線之雜亂。
若外加(Z方向)磁場含有一梯度(或若g因數存在一梯度)，則側點L及R將具有不同塞曼分裂，為了此論述，其將表示為Ω。當Ω經調諧以滿足Ω<<J時，交換相互作用能夠實施一
閘。此將在此簡要說明。
兩個自旋態之相互作用之哈密頓(Hamiltonian)函數可經模型化為
方程式5之第一項可指稱H 0且表示塞曼分裂。第二項可指稱H ex 且表示一交換相互作用。塞曼分裂H 0可進一步分裂成：
其中
方程式6之右手側之第一項可指稱H Z ，平均塞曼分裂。方程式6之右手側之第二項可指稱H △，「塞曼分裂梯度」。
在其中Ω<<J之方案中，哈密頓算子H Z 與哈密頓算子H ex 交換且因此在相互作用圖像(旋轉座標系)中，交換哈密頓函數可書寫為：
因此，在旋轉座標系中執行交換相互作用恰好相同於在實驗室座標系中執行交換相互作用。歸因於H ex 之演進算子由以下給出
一SWAP閘對應於
，且一
閘對應於
。
本發明人已分析歸因於不精確脈衝時序或電荷波動之施加交換相互作用時之誤差且已發現其可忽略。
單量子位元Z旋轉及
閘之一組合可用於實施一控制Z閘。圖4繪示一量子電路，其繪示使用單量子位元Z旋轉及
閘來實施一控制Z閘。
若吾人歸因於其無核自旋環境而在一各向同性提純矽基板上建構圖2之結構200，則可進一步提高量子點210與220之間的此等中介交換相互作用之保真度。
為定址一單一量子位元，吾人需要使該量子位元之共振頻率與其他量子位元之共振頻率之間的差大於約2kHz之ESR峰值寬度。為使用一電閘控斯塔克移位來達成此，吾人需要約0.1mV之一頂閘電壓改變，其大致對應於在位能移位約5GHz。此比△ off 約3THz小得多，且因此不會在吾人試圖實施一單量子位元邏輯閘時導致任何無用交換相互作
用。
陣列200進一步包含若干局部電荷庫250。如圖2中所展示，各電荷庫250可耦合至四個介體點230。電荷庫250充當電子之一源極及一汲極。當將量子點及庫之能階調諧至正確階時，吾人可等待系統弛豫至其基態以初始化系統。
電荷庫250亦可用於恢復系統之電荷組態，如下文將進一步展示。
儘管上文已論述關於實施單量子位元邏輯閘之電子自旋共振之使用，但實施單量子位元閘之一替代方法係經由電偶極自旋共振(EDSR)。儘管圖2中未展示，但可將一微磁體(1300，圖9)放置於一量子點接近處以產生一磁場梯度。微磁體可為奈米級大小或任何其他適合大小磁體。當使用一振盪電場移動量子點中之電子時，電子本身將經歷一有效振盪磁場，其繼而驅動自旋旋轉。EDSR可比ESR快一數量級(>10MHz)。可達成具有約99.9%之保真度之單量子位元EDSR閘。
為使用此一表面碼結構執行量子資訊處理，無需將任何單量子位元閘應用於輔助點220。因此，亦無需在輔助點220處放置任何微磁體。藉由僅將微磁體放置於資料點210處，吾人可產生資料點210與輔助點220之間的一大塞曼分裂梯度。當Ω>>J時，由交換相互作用中介之兩個點之間存在一類偶極-偶極相互作用，其可用於實施
。現將接著簡要說明可如何實施S。
使用方程式5，描述算子H 0之矩陣(無交換相互作用)由以下給出：
因此，E z 判定平行自旋子空間中之本徵能，而Ω判定反平行自旋子空間中之本徵能。交換哈密頓函數可使用以下矩陣表示：
在平行自旋子空間中，兩種狀態之能量將上移J/2。在反平行自旋子空間中，若Ω>>J，則H ex 可被視作H 0之一微擾。使用1階微擾理論，反平行自旋態之本徵能之移位係0。
因此，關於其中本徵態不改變且吾人僅考量本徵能之1階移位之1階近似，交換哈密頓函數(其至1階近似係本徵能之移位)變為：
其係一偶極-偶極相互作用。應注意，此亦與H 0交換，因此其旋轉座標系形式相同於其實驗室形式。
允許此哈密頓函數演進π/J之一時段導致算子S，其可以矩陣形式表示為：
因此，當微磁體定位於資料點附近時，可使用一S運算實
施一控制Z閘。圖5中繪示使用S運算及單量子位元Z旋轉來實施控制Z閘之一量子電路。
由於在本文所描述之結構(諸如結構200)中，微磁體由介體點及輔助點隔開，因此雜散磁場影響其他資料點之問題比不具有介體點之一密集堆積構造大幅減少。
微磁體可損害涉及電子穿梭之任何結構，因為在雜散場內移動電子將旋轉穿梭電子之自旋。在本文所描述之結構中，電子之有意穿梭僅發生於讀出期間之輔助雙點220處，其中與任何微磁體存在合理距離且穿梭距離非常短。因此，歸因於輔助點220處之穿梭程序中之微磁體之雜訊可忽略。
在一些實例中，可虛擬地執行單量子位元Z旋轉之一或多者。即，可藉由使旋轉參考座標系移位一給定相位來依一虛擬方式實施一些Z旋轉。此等Z旋轉基本上無誤差且需要零時間。此將對應於將一相位偏移添加至任何後續X、Y閘脈衝且在虛擬Z旋轉之後將所有後續兩量子位元閘切換至新旋轉座標系中。
總言之，到目前為止，已描述包括用於實施一表面碼之一結構200之一裝置及在結構上實施控制Z閘之兩種方式。
現將接著簡要論述與圖2之結構200有關之洩漏誤差。
在圖2之結構中，運算子空間係基態電荷組態中之資料點210及輔助點220中之電子之整個自旋空間。此一結構之任何洩漏誤差由電荷遷移引起，電荷遷移將結構自電荷基態帶至一較高能量電荷態。電荷基態僅在交換相互作用期間(即，當執行兩量子位元閘相互作用時)耦合至較高能量電荷態且因此在此論述中僅考量發生於交換相互作用期間之洩
漏。
更明確言之，若吾人考量上文關於圖3所描述之三點系統，使用(nL；nM；nR)來分別指示點L、介體點及點R上之電荷數目，則一洩漏誤差對應於自基態電荷組態(1；2；1)變為一較高能量電荷組態(1；3；0)或(0；3；1)。回想一下，量子位元點中之電子-電子排斥能遠高於結構200中之任何其他能量，因此，資料點210或輔助點220中之雙重占有受嚴重抑制，使得吾人無需考量在以基態開始時電荷自介體遷移至資料點210或輔助點220。
任何洩漏態將經由各種弛豫機制自然衰退回一較低能態，其時間標度由半導體量子點中電荷量子位元之T 1 時間指示。已在別處量測Si/SiGe雙量子點之電荷弛豫時間，其展示對軌道之間的穿隧能之強相依性及對軌道之間的失諧之弱相依性。關於本論述中圖2之結構200(t約1GHz)關注之穿隧能態，弛豫時間係約10ns，其比設置中之其他時間標度短得多(所有閘以微秒時間標度操作)。因此，吾人可假定：一旦一洩漏誤差發生於交換相互作用期間(其中一電荷逃離一資料點210或一輔助點220)，則迅速發生一弛豫程序，其中相鄰介體點之一者(未必為一電子逃往之介體點)中之電子跳下以填充「空」資料點210或輔助點220。因此，此一弛豫程序使資料點210及輔助點220恢復回單獨占有狀態且因此返回至運算子空間中。
因此，隨著弛豫程序使電荷載體返回至運算子空間中，任何洩漏誤差可被視為由表面碼處理之一運算誤差，無額外負擔，諸如洩漏誤差偵測及主動校正或應用任何洩漏減少協定。因此，圖2之結構200本身能防洩漏誤差。
在一弛豫程序使電荷恢復至資料點210或輔助點220之後，介體點230中可存在遺失或額外電子，其將導致錯誤交換閘。然而，各介體點230可耦合/附接至一電荷庫(其可為相同於最初用於填充量子點陣列之電荷庫之電荷庫)以使一遺失電子恢復至介體點230或自介體點230移除一額外電子。由於介體點230中之電子係在運算子空間外(即，不被視為攜帶任何相關量子資訊)，因此至一電荷庫之此一耦合幾乎不可能引入任何進一步誤差。
與在圖2之結構200不同，在諸如圖1之結構100之結構(其依賴資料點110與輔助點120之間的直接交換相互作用(即，無任何中介相互作用))中，自(例如)一資料點110洩漏之任何電子將始終如一地遷移至一輔助點120。即使吾人試圖藉由將資料點110或輔助點120連接至一電荷庫來恢復洩漏誤差，但儲存於量子位元中之量子資訊會受到破壞。
圖6A繪示類似於圖2之表面碼結構之一表面碼結構之一單元胞。圖6B展示使用圖6A之單元胞之一表面碼網格。如圖6A及圖6B中可見，資料點210各定位成緊鄰一介體點230，介體點230之另一端定位成緊鄰輔助點對之一輔助點220。閘控制單元270及傳導引線260經配置以控制各資料點210、輔助點220、介體點230及電荷庫250。各輔助點220進一步經由一引線260耦合至一量測單元240(及一閘控制單元270)。
參考圖7A至圖7F，現將描述用於處理量子資訊之一裝置之多個層。熟習技術者將在閱讀本發明之後瞭解，可使用一「多層閘堆疊」方法來製造此等裝置。裝置經分層累積。金屬電極可經光微影界定及沈積於一層上。隨後，可藉由沈積或生長氧化物層來使各電極層與下一層隔離。熟習技術者應瞭解，可使用其他方法來製造裝置。
圖7A至圖7F繪示裝置分層累積時之CMOS構造之諸多層。未展示每一層(例如，未展示沈積或生長氧化物)。然而，層係依自最低(圖7A)至最高(圖7E)之順序。諸如「較低」、「最低」、「較高」、「最高」、「上方」及「下方」之術語僅指示圖中特徵之相對位置。即，方向性術語(諸如本文所使用之方向性術語)不係指相對於一使用者之一視點之一方向，而是應從各方面被視為相對術語。
圖尤其聚焦於一單元胞。在圖7B至圖7F中，以虛線展示不形成中心單元胞之部分且在前一階段中提供之特徵。
圖7A展示一矽基板710之一部分。亦描繪一歐姆植入區域720之位置(圖7A中未展示其他歐姆區域)，歐姆植入區域720可在使用中將載體供給至電荷庫250。亦沈積(未展示)實質上均勻覆蓋之氧化矽層。
圖7B繪示高於圖7A之層之一層。沈積一第一導電層以界定電荷庫250及界定侷限區域。第一導電層包括多晶矽電極740。第一導電層進一步包括金屬電極750。圖7B亦展示由前一階段沈積之接點730(其不形成單元胞之部分)。接著，使用原子層沈積來在第一導電層上方生長一實質上均勻隔離氧化物層。
一旦將多晶矽電極740及金屬電極750及後續隔離氧化物層提供給裝置，則提供一第二導電層。特定言之，將金屬電極760(參閱圖7C，其展示圖7B中所描繪之層上方之一層)提供給裝置。此第二導電層有助於界定介體點230。隨後，使用原子層沈積來生長一實質上均勻隔離氧化物層。圖7C中以虛線展示不形成單元胞之部分且施加於一較低層中之多晶矽電極740及金屬電極750。
亦提供包括進一步金屬電極770之一第三導電層(參閱圖
7D，其展示圖7C中所描繪之層上方之一層)以界定電荷庫250之能障且提供用於控制資料點210及輔助點220之電極。隨後使用原子層沈積來生長一實質上均勻隔離氧化物層。圖7D中以虛線展示不形成單元胞之部分且施加於一較低層中之電極740、750及760。
提供一第四導電層用於界定介體點230。第四導電層亦包含進一步金屬電極780(參閱圖7E，其展示圖7D中所描繪之層上方之一層)。隨後使用原子層沈積來生長一實質上均勻隔離氧化物層。圖7E中以虛線展示不形成單元胞之部分且施加於一較低層中之電極740、750、760及770。
圖7F繪示圖7E之構造中之資料點210及輔助點220之位置。
圖8A展示沿圖7E中之A指示之方向所見之圖7E之構造之一側輪廓。元件符號810指示氧化矽層(閘層)。元件符號820指示一ALD氧化物。元件符號830表示一進一步氧化矽層。
圖8B展示沿圖7E中之B指示之方向所見之圖7E之構造之一側輪廓。
圖8C展示沿圖7E中之C指示之方向所見之圖7E之構造之一側輪廓。元件符號750指示一金屬通路或插塞。
圖9展示圖7E中所展示之裝置單元胞之一變體。特定言之，在圖9所展示之結構中，適當大小之磁體1300(例如奈米磁體)已定位於圖7E之單元胞上，使得磁體1300之北極(N)及南極(S)定位成靠近資料點210。一第一磁體1300之一北極與一第二磁體1300之一南極之間的間隔駐留於一資料點210上以藉此將磁場聚焦於第一磁體1300之北極與第二磁
體之南極之間的資料點210上。
如以上關於圖2、圖3及圖5所解釋，磁體1300之包含實現經由電偶極自旋共振(EDSR)來實施單量子位元閘。此外，就圖9中所展示之結構而言，可使用圖5之電路圖實施一控制Z閘。
圖10係用於初始化用於量子資訊處理之一裝置(諸如圖2、圖6A、圖6B、圖7A至圖7F及圖8A至圖8C中所展示之結構200)之一方法之一流程圖。特定言之，圖10係用於初始化一裝置之一方法之一流程圖，裝置具有用於侷限自旋電荷載體用作量子迪特之第一複數個侷限區域、用於侷限自旋電荷載體之第二複數個侷限區域(且其中第二複數個侷限區域之各侷限區域相鄰於第一複數個侷限區域之一侷限區域)及一或多個電荷庫，其中第二複數個侷限區域之各侷限區域可耦合/可附接至一或多個電荷庫之一電荷庫。例如，第一複數個侷限區域可包括複數個資料點210及複數個輔助點(或點對)220。第二複數個侷限區域可包括複數個介體點230。
圖11A中繪示初始化之前的結構200中之電荷載體1000(在此實例中，電子)之位置。如圖11A中所展示，第一複數個侷限區域(在此實例中，資料點210及輔助點220)不侷限任何電子1000。熟習技術者應瞭解，此不意謂資料點210及輔助點220根本不含任何電子；相反地，在初始化之前，用於裝置中之功能電子不被侷限於資料點或輔助點。類似地，無電子1000侷限於介體點230內。庫250含有諸多電子1000。
在步驟1010中，將第二複數個侷限區域之各侷限區域(在此實例中，一介體點230)附接至一電荷庫250，其使至少一電子1000能夠穿隧於介體點230與電荷庫250之間。將介體點230「附接」至電荷庫250
亦可指稱一「主動電荷重設」。將一電荷庫250耦合/附接至一介體點230包括降低/收窄電荷庫250與介體點230之間的能障以增加兩者之間的穿隧能且藉此實現庫250與介體點230之間的非同調電荷跳躍。此可(例如)藉由調整界定裝置200上之電荷庫及介體區域之電極之電位使得介體點230及庫250不被主動「夾止」來達成。
在1020中，方法包括調諧第一複數個侷限區域及第二複數個侷限區域之相鄰侷限區域之相對能階，使得若一自旋電荷載體自第一複數個侷限區域之一侷限區域洩漏，則替換自旋電荷載體以確保第一複數個侷限區域之侷限區域再次含有用作一量子迪特之一自旋電荷載體。
在1030中，使第二複數個侷限區域之各侷限區域(在此實例中，介體點230)解耦合/脫離電荷庫250。使介體點230脫離電荷庫250包括增加兩個區域之間的能障，使得兩者之間的電荷弛豫時間將比量子電腦之一使用循環長得多--實際上，當介體點230及庫250脫離時，電子1000轉移於介體點230與庫250之間不太可能被忽略。
在初始化程序之後，資料點210侷限一電荷載體1000，輔助點220侷限一電荷載體1000，且介體點侷限兩個電荷載體1000，如圖11B中所繪示。可將一磁場施加於第一複數個侷限區域(例如資料點210及輔助點220)以分離侷限於其內之電荷載體1000之自旋態之能階。依此方式，資料點210侷限一資料量子位元且輔助點220侷限一輔助量子位元。
熟習技術者應瞭解，可依任何適合順序執行圖10中所描述之方法之步驟，例如，可在不同時間將介體點之不同子集附接至電荷區域。
圖12係一控制器/運算設備1200之一方塊圖。例如，運算
設備1200可包括一運算裝置。運算設備1200可跨多個連接裝置分佈。熟習技術者應瞭解，可使用除圖12中所展示之結構之外的結構。控制器可用於藉由(例如)依循關於圖10所描述之方法來初始化用於量子資訊處理之一裝置。
參考圖式，控制器/運算設備1200包含一或多個處理器1210、一或多個記憶體1220、數個選用使用者介面(諸如視覺顯示器1230及虛擬或實體鍵盤1240)、一通信模組1250及視情況一埠1260及視情況一電源1270。組件1210、1220、1230、1240、1250、1260及1270之各者使用各種匯流排互連。處理器1210可處理用於在運算設備1200內執行之指令，其包含儲存於記憶體1220中、經由通信模組1250或經由埠1260接收之指令。
記憶體1220用於儲存運算設備1200內之資料。一或多個記憶體1220可包含一或若干揮發性記憶體單元。一或多個記憶體可包含一或若干非揮發性記憶體單元。一或多個記憶體1220亦可為另一形式之電腦可讀媒體，諸如一磁碟或光碟。一或多個記憶體1220可提供運算設備1200之大容量儲存。用於執行本文中所描述之一方法之指令可儲存於一或多個記憶體1220內。
設備1200包含數個使用者介面，其包含視覺化構件(諸如一視覺顯示器1230)及一虛擬或專用使用者輸入裝置(諸如鍵盤1240)。
通信模組1250適合於在處理器1210與遠端系統之間發送及接收通信。例如，通信模組1250可用於經由一通信網路(諸如網際網路)發送及接收通信。
埠1260適合於接收(例如)含有由處理器1210處理之指令之
一非暫時性電腦可讀媒體。
處理器1210經組態以自通信模組1250或自使用者輸入裝置1240接收資料、存取記憶體1220及按照自該記憶體1220或連接至埠1260之一電腦可讀儲存媒體接收之指令行動。
處理器1210可經組態以引起一磁場施加於一陣列200以分離第一複數個侷限區域中之電荷載體之自旋態之能階。即，處理器1210可經組態以引起一磁場施加於資料點210及輔助點220以移除儲存於該等量子點中之任何電子之自旋態之簡併性。控制器1200可進一步包括用於將磁場施加於陣列200之一磁場產生器。
處理器1210可經組態以引起一振盪磁場施加於第一複數個侷限區域，振盪磁場具有實質上匹配電荷載體之一塞曼分裂之一頻率。控制器1200可進一步包括用於產生振盪磁場之一磁場產生器。
處理器1210可經組態以調整第一複數個侷限區域及第二複數個侷限區域之相對能階。
在初始化之後，則可控制裝置之電荷穩定性。圖13展示用於控制用於量子資訊處理之一裝置(諸如圖2、圖6A、圖6B、圖7A至圖7F及圖8A至圖8C中所展示之結構200)之電荷穩定性之一方法之一流程圖。特定言之，圖13係用於控制一裝置之一方法之一流程圖，裝置具有用於侷限自旋電荷載體用作量子迪特之第一複數個侷限區域、用於侷限自旋電荷載體之第二複數個侷限區域(且其中第二複數個侷限區域之各侷限區域相鄰於第一複數個侷限區域之一侷限區域)及一或多個電荷庫，其中第二複數個侷限區域之各侷限區域可附接至一或多個電荷庫之一電荷庫。
在1310中，方法包括選擇性調諧第一複數個侷限區域(例
如資料點210及輔助點220)及第二複數個侷限區域之相鄰侷限區域(例如介體點230)之相對能階，使得若一自旋電荷載體自第一複數個侷限區域之一侷限區域洩漏，則替換自旋電荷載體以確保第一複數個侷限區域之侷限區域再次含有用作一量子迪特之一自旋電荷載體。調諧相對能階可包括調諧相對能量，使得介體點230之最高占有區域低於資料點210之所要最低未占有能階且大於資料點210之所要最高占有能階。依此方式，一量子位元自資料點210漏出至相鄰介體點230之可能性非常低；相反地，一電子1000自一介體點230流動至一資料點210之可能性更大，但僅在資料點210(例如)歸因於一電荷洩漏誤差而遺失一電子1000時。
在1320中，方法包括藉由控制第二複數個侷限區域之侷限區域及第一複數個侷限區域之各自兩個相鄰侷限區域之能階來選擇性促進第一複數個侷限區域之侷限區域對之間(例如資料點210與輔助點220之間)的相互作用。換言之，一中介兩量子位元閘已自「切斷」變為「接通」。在切斷狀態中，各量子位元區域(210、220)與介體區域230之間的失諧足夠高，使得在裝置200之一使用循環中，兩個量子位元區域之間經由介體區域之同調相互作用可忽略。針對給定失諧，量子位元區域及介體區域之電壓組態可如上文1010中所解釋，使得介體230用於穩定量子位元區域210、220中之電荷。電荷能夠藉由實質上僅自介體區域至量子位元區域(反之則不然)之非同調跳躍且僅在量子位元區域歸因於一些較早電荷洩漏誤差而缺少一電荷時轉移。當兩量子位元閘「接通」時，實現兩個量子位元區域210、220與介體區域230之間的一同調相互作用以因此實現用於運算之一量子位元-量子位元操作。可藉由允許接通狀態持續一適合時段來執行此一量子位元-量子位元操作。可藉由增加量子位元區域與介體區域
230之間的穿隧能及/或藉由減少量子位元區域與介體區域之間的失諧來達成「接通」條件。在一些實例中，僅失諧係變動的；穿隧能保持不變。
方法進一步包括(在1330中)將第二複數個侷限區域之侷限區域選擇性附接至一或多個電荷庫之對應電荷庫以促進電子穿隧於第二複數個侷限區域與一或多個電荷庫之間。依此方式，可校正電荷誤差。
熟習技術者應瞭解，可依使用結構200所需之任何順序執行圖11中所繪示之操作。例如，可根據消除電荷誤差之需要且在需要消除電荷誤差時執行一主動重設(將介體區域230附接至電荷庫250)。類似地，可根據「開啟」或「關閉」相互作用之需要且在需要「開啟」或「關閉」相互作用時實施量子位元-量子位元相互作用，如上文所解釋。
可藉由檢查陣列200之元格之資料量子位元之X同位及/或Z同位來實施一表面碼。熟習技術者應瞭解，術語「元格」係本技術之一術語且可在本實例中被理解為意謂形成於陣列200之四個實體資料點210之間的一面。此等同位係表面碼之穩定子產生器且使用穩定子檢查量子電路(諸如圖14中所展示之穩定子檢查量子電路)量測。圖14之控制Z閘進一步分解成圖4或圖5之量子電路，其取決於微磁體是否定位於資料點210附近。圖14之
運算(在虛線框內)經包含用於X穩定子檢查，但未被包含用於Z穩定子檢查。輔助雙點220初始化為單重態(表示|S〉)且使用單重態-三重態自旋相依穿隧讀出量測。
吾人可將圖14之穩定子檢查分成量子處理運算之四個不相交分區/群組(1410、1420、1430、1440)且逐一執行其等。特定言之，第一分區1410包括第一組
運算(當執行一X穩定子檢查時)，第二分區1420包括控制Z運算，第三分區1430包括控制Z運算，且第四分區1440包括進
一步
運算及輔助點220之一量測，如圖14中所展示。在穩定子檢查之各分區內，無介體點中介涉及單獨穩定子運算之資料點210/輔助點220之間的相互作用。因此，在各分區內，一穩定子檢查之誤差(包含任何洩漏誤差)獨立於另一穩定子檢查之誤差(不存在分區內誤差相關性)。因此，若吾人藉由將介體點230耦合至穩定子檢查之各分區之間的電荷庫250來重設介體點230，則此等誤差不傳播至穩定子檢查之下一分區。因此，穩定子檢查之每一分區之誤差將彼此獨立(無分區間誤差相關性)。因此，使用此一穩定子更新方案，各分區處之誤差可為馬可夫(Markovian)。因此，任何小誤差均不會放大成大誤差。
因此，針對包含介體點及電荷庫之結構(諸如結構200)，可將介體點230耦合至電荷庫(以重設任何誤差)包含至所執行之運算中以實施穩定子檢查。依此方式，閘運算固有之誤差(包含任何洩漏誤差)不會變成大運算誤差。
更明確言之，一量子電路可取決於電路而包括若干不相交量子運算組，可在其等之間執行一主動重設(即，將一介體區域附接至一電荷庫)以清除任何電荷位置誤差。
參考圖14及圖15，可藉由執行具有間歇主動重設之量子運算組來在用於量子資訊處理之一裝置(如本文中所描述)上實施一量子電路。圖15可用於實施一X穩定子檢查，諸如圖14中所展示之X穩定子檢查。圖15之方法可由任何適合控制設備(諸如上文關於圖12所詳述之控制設備)實施。
在1510中，可執行一第一組量子處理運算。參考圖14，對一元格之四個資料點210之各者(例如包圍一對輔助點220之四個資料點
210)執行一
運算(分區1410)。
在1520中，可藉由將介體點230附接至電荷庫250來執行一主動重設。依此方式，可減輕發生於第一組量子處理運算期間之任何電荷洩漏誤差。
在1530中，可執行一第二組量子運算(1420)。參考圖14，可藉由中介一第一資料點210與輔助點對之一第一輔助點220之間及一第三資料點210與輔助點對之一第二輔助點220之間的一相互作用來實施一控制Z閘。可經由圖4及圖5中所展示之運算來實施控制Z閘。
在1540中，可藉由將介體點230附接至電荷庫250來執行一主動重設。依此方式，可減輕發生於第二組量子處理運算期間之任何電荷洩漏誤差。
在1550中，可執行一第三組量子運算(1430)。參考圖14，可藉由中介一第三資料點210與輔助點對之第一輔助點220之間及一第四資料點210與輔助點對之第二輔助點220之間的一相互作用來實施一控制Z閘。可經由圖4及圖5中所展示之運算來實施控制Z閘。
在1560中，可藉由將介體點230附接至電荷庫250來執行一主動重設。依此方式，可減輕發生於第三組量子處理運算期間之任何電荷洩漏誤差。
在1570中，可執行一第四組量子處理運算(1440)。參考圖14，對各資料量子位元執行一第二
運算。此外，量測輔助點中之輔助量子位元。
有利地，藉由在各組運算之間執行一主動重設，電荷洩漏誤差不會累積。此確保執行量子電路之所有運算結束時之任何誤差明顯小
於無主動重設操作時之誤差。
熟習技術者應瞭解，一量子電路可分解成四個不相交量子處理運算組，但量子電路可分解成更多或更少量子處理運算組。例如，儘管已相對於執行一X穩定子檢查描述圖15之方法，但一X穩定子檢查無需對各資料量子位元執行一初始或最終
運算，因此，一Z穩定子檢查可分解成三組量子處理運算，可在其等之間執行一主動重設。
設想所描述實施例之變體，例如，所有揭示實施例之特徵可依任何方式及/或組合來組合，除非此等特徵不相容。
熟習技術者應瞭解，圖中所展示之佈局可變動且可不是二維網格。
電荷庫可(例如)在裝置內定位於不同於侷限區域之一深度處。
本說明書(包含任何隨附請求項、摘要及圖式)中所揭示之所有特徵及/或所揭示之任何方法或程序之所有步驟可依任何組合來組合，其中至少一些此等特徵及/或步驟互斥之組合除外。
除非另有明確說明，否則本說明書(包含任何隨附請求項、摘要及圖式)中所揭示之各特徵可由具有相同、等效或類似目的之替代特徵替換。因此，除非另有明確說明，否則所揭示之各特徵僅為一系列通用等效或類似特徵之一實例。
本發明不受限於任何上述實施例之細節。本發明擴展至本說明書(包含任何隨附請求項、摘要及圖式)中所揭示之特徵之任何新穎者或任何新穎組合，或擴展至所揭示之任何方法或程序之步驟之任何新穎者或任何新穎組合。申請專利範圍不應被解釋為僅涵蓋上述實施例，而是亦
涵蓋落於申請專利範圍之範疇內之任何實施例。
1310:步驟
1320:步驟
1330:步驟
Claims (13)
- 一種用於控制用於量子資訊處理之一裝置中之電荷穩定性的方法，其中用於量子資訊處理之該裝置包括：第一複數個侷限區域，其等侷限自旋電荷載體用作量子迪特；第二複數個侷限區域，其等侷限自旋電荷載體，該第二複數個侷限區域之各侷限區域相鄰於該第一複數個侷限區域之一侷限區域；及一或多個電荷庫，其中該第二複數個侷限區域之各侷限區域可附接至一電荷庫；其中用於控制電荷穩定性之該方法包括：選擇性調諧該第一複數個侷限區域及該第二複數個侷限區域之相鄰侷限區域之相對能階，其中調諧該等侷限區域之相對能階包括調諧該等侷限區域之能階，使得該第二複數個侷限區域之一侷限區域之最高占有能階低於該第一複數個侷限區域之該相鄰侷限區域之一所要最低未占有能階且大於該第一複數個侷限區域之該相鄰侷限區域之一所要最高占有能階，使得若一自旋電荷載體自該第一複數個侷限區域之一侷限區域洩漏，則替換該自旋電荷載體以確保該第一複數個侷限區域之該侷限區域再次含有用作一量子迪特之一自旋電荷載體。
- 如請求項1之方法，其中：該第二複數個侷限區域之各侷限區域位於該第一複數個侷限區域之兩個侷限區域之間且用於中介該第一複數個侷限區域之該等兩個侷限區域 之間的相互作用；且其中該方法進一步包括：藉由控制該第二複數個侷限區域之該等侷限區域及該第一複數個侷限區域之該等各自兩個相鄰侷限區域之能階來選擇性促進該第一複數個侷限區域之侷限區域對之間的同調自旋相互作用。
- 如請求項2之方法，其中促進該第一複數個侷限區域之侷限區域對之間的同調自旋相互作用包括引起一或多個電場施加於該等侷限區域以暫時減少該第二複數個侷限區域之該等侷限區域與該第一複數個侷限區域之該等各自兩個相鄰侷限區域之間的失諧。
- 如請求項2或3之方法，其中：該第一複數個侷限區域包括侷限區域之一第一子集及一第二子集，侷限區域之該第一子集侷限自旋電荷載體用作資料量子迪特，侷限區域之該第二子集侷限自旋電荷載體用作輔助量子迪特，侷限區域之該第二子集之各侷限區域可耦合至用於量測一輔助量子迪特之一量測設備；且其中該方法進一步包括量測該第二複數個侷限區域之一侷限區域中之一輔助量子迪特之一狀態。
- 如請求項1至3中任一項之方法，其進一步包括：將該第二複數個侷限區域之侷限區域選擇性附接至該一或多個電荷庫之對應電荷庫以促進電荷載體穿隧於該第二複數個侷限區域與該一或多個電荷庫之間，其中附接包括藉由二電荷區域之間的能障，調諧該第二複 數個侷限區域與該等對應電荷庫之間的一相互作用強度，使得該能障變得較窄或較低，以增加該二電荷區域之間的穿隧能量。
- 如請求項1至3中任一項之方法，其進一步包括：使該第二複數個侷限區域之侷限區域選擇性脫離該一或多個電荷庫之對應電荷庫以阻止電荷載體穿隧於該第二複數個侷限區域與該一或多個電荷庫之間。
- 如請求項6之方法，其中脫離包括調諧該第二複數個侷限區域與該等對應電荷庫之間的一相互作用強度以阻止電荷載體穿隧於該第二複數個侷限區域與該一或多個電荷庫之間。
- 如請求項1至3中任一項之方法，其中該量子電路係一穩定子檢查電路。
- 一種機器可讀儲存媒體，其上儲存有指令，該等指令在由一運算裝置之一處理器讀取時引起如請求項1至8中任一項之方法被實施。
- 一種用於控制用於量子資訊處理之一裝置中之電荷穩定性的設備，其包括：一記憶體；及一或多個處理器，其等經組態以按照儲存於該記憶體中之指令行動且引起如請求項1至8中任一項之方法被實施。
- 一種用於控制用於量子資訊處理之一裝置之電荷穩定性的設備，其中用於量子資訊處理之該裝置包括：第一複數個侷限區域，其等侷限自旋電荷載體用作量子迪特；第二複數個侷限區域，其等侷限自旋電荷載體，該第二複數個侷限區域之各侷限區域相鄰於該第一複數個侷限區域之一侷限區域；及一或多個電荷庫，其中該第二複數個侷限區域之各侷限區域可附接至一電荷庫；其中用於控制電荷穩定性之該設備包括：一記憶體；及一或多個處理器，其等經組態以：選擇性調諧該第一複數個侷限區域及該第二複數個侷限區域之相鄰侷限區域之相對能階，其中調諧該等侷限區域之相對能階包括調諧該等侷限區域之能階，使得該第二複數個侷限區域之一侷限區域之最高占有能階低於該第一複數個侷限區域之該相鄰侷限區域之一所要最低未占有能階且大於該第一複數個侷限區域之該相鄰侷限區域之一所要最高占有能階，使得若一自旋電荷載體自該第一複數個侷限區域之一侷限區域洩漏，則替換該自旋電荷載體以確保該第一複數個侷限區域之該侷限區域再次含有用作一量子迪特之一自旋電荷載體。
- 如請求項11之設備，其中：該第二複數個侷限區域之各侷限區域位於該第一複數個侷限區域之 兩個侷限區域之間；且該一或多個處理器進一步經組態以：藉由控制該第二複數個侷限區域之該等侷限區域及該第一複數個侷限區域之該等各自兩個相鄰侷限區域之能階來選擇性促進該第一複數個侷限區域之侷限區域對之間的同調自旋相互作用。
- 如請求項12之設備，其中該一或多個處理器進一步經組態以：將該第二複數個侷限區域之侷限區域選擇性附接至該一或多個電荷庫之對應電荷庫以使電荷載體能夠穿隧於該第二複數個侷限區域與該一或多個電荷庫之間。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GBGB1903888.4A GB201903888D0 (en) | 2019-03-21 | 2019-03-21 | Control of charge carriers in quantum information processing architectures |
| GB1903888.4 | 2019-03-21 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TW202101309A TW202101309A (zh) | 2021-01-01 |
| TWI834848B true TWI834848B (zh) | 2024-03-11 |
Family
ID=66381389
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW109109370A TWI834848B (zh) | 2019-03-21 | 2020-03-20 | 用於控制用於量子資訊處理之一裝置中之電荷穩定性的方法與設備及機器可讀儲存媒體 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US12026588B2 (zh) |
| EP (1) | EP3942485A1 (zh) |
| GB (1) | GB201903888D0 (zh) |
| TW (1) | TWI834848B (zh) |
| WO (1) | WO2020188241A1 (zh) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB201903884D0 (en) | 2019-03-21 | 2019-05-08 | Quantum Motion Tech Limited | Architectures for quantum information processing |
| TW202341020A (zh) * | 2021-12-22 | 2023-10-16 | 澳洲商矽基量子計算有限公司 | 用於初始化和量測量子位元的系統及方法 |
| WO2024078949A1 (en) * | 2022-10-12 | 2024-04-18 | Quantum Motion Technologies Limited | Silicon-based quantum processor |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108780129A (zh) * | 2016-02-12 | 2018-11-09 | 耶鲁大学 | 用于控制量子系统的技术及相关系统和方法 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2002306692A1 (en) * | 2001-03-09 | 2002-09-24 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Solid-state quantum dot devices and quantum computing using nanostructured logic dates |
| US11444184B1 (en) * | 2018-08-27 | 2022-09-13 | U.S. Government As Represented By The Director, National Security Agency | System for induced quantum dots for material characterization, qubits, and quantum computers |
| GB201903884D0 (en) | 2019-03-21 | 2019-05-08 | Quantum Motion Tech Limited | Architectures for quantum information processing |
-
2019
- 2019-03-21 GB GBGB1903888.4A patent/GB201903888D0/en not_active Ceased
-
2020
- 2020-03-10 US US17/593,528 patent/US12026588B2/en active Active
- 2020-03-10 WO PCT/GB2020/050572 patent/WO2020188241A1/en active Application Filing
- 2020-03-10 EP EP20711297.0A patent/EP3942485A1/en active Pending
- 2020-03-20 TW TW109109370A patent/TWI834848B/zh active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108780129A (zh) * | 2016-02-12 | 2018-11-09 | 耶鲁大学 | 用于控制量子系统的技术及相关系统和方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 期刊 FOGARTY M A ET AL. Integrated silicon qubit platform with single-spin addressability, exchange control and single-shot singlet-triplet readout Nature Communicationsvolume 9(2018) DOI:10.1038/s41467-018-06039-x ARXIV.ORG 2017-12-05 Article number: 4370; * |
| 期刊 PANOS ALIFERIS ET AL. Fault-tolerant quantum computation for local leakage faults Quant. Inf. Comp. 7 (2007) DOI:10.48550/arXiv.quant-ph/0511065 ARXIV.ORG 2005-11-07 pp.139-156 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2020188241A1 (en) | 2020-09-24 |
| GB201903888D0 (en) | 2019-05-08 |
| US12026588B2 (en) | 2024-07-02 |
| EP3942485A1 (en) | 2022-01-26 |
| US20220156629A1 (en) | 2022-05-19 |
| TW202101309A (zh) | 2021-01-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI829894B (zh) | 用於量子資訊處理之結構 | |
| TWI834848B (zh) | 用於控制用於量子資訊處理之一裝置中之電荷穩定性的方法與設備及機器可讀儲存媒體 | |
| AU2015252051B2 (en) | A quantum processor | |
| Buonacorsi et al. | Network architecture for a topological quantum computer in silicon | |
| WO2017210790A1 (en) | Electronic circuit for control or coupling of single charges or spins and methods therefor | |
| Bradbury et al. | Efficient clocked electron transfer on superfluid helium | |
| Bhat et al. | Quantum computing: fundamentals, implementations and applications | |
| US20220335322A1 (en) | Electronic Structure Component for Logically Connecting Qubits | |
| Bussmann et al. | Atomic-precision advanced manufacturing for Si quantum computing | |
| Engel et al. | Electron spins in quantum dots for spintronics and quantum computation | |
| US20230229952A1 (en) | An advanced quantum processor architecture | |
| JP2024525383A (ja) | 量子処理素子の電気制御 | |
| Fang et al. | Effects of J-gate potential and uniform electric field on a coupled donor pair in Si for quantum computing | |
| US20220149216A1 (en) | An advanced processing element and system | |
| KR102675625B1 (ko) | 양자 정보 프로세서용 프로세서 요소 | |
| JP2024512373A (ja) | キュービットおよび量子処理システム | |
| KR20220154721A (ko) | 큐비트 처리 방법 | |
| Ansaloni et al. | Single-electron control in one-and two-dimensional arrays of silicon quantum dots | |
| Prati et al. | Quantum information in silicon devices based on individual dopants | |
| TWI855073B (zh) | 量子資訊處理器之處理器元件 | |
| Buonacorsi | Quantum dot devices in silicon and dopant-free GaAs/AlGaAs heterostructures | |
| AU2022231809A1 (en) | Quantum processing element and quantum processing system | |
| Adamowski et al. | Modeling of Electrostatically Gated Vertical Quantum Dots | |
| Plugge | Majorana fermions in mesoscopic topological superconductors. From quantum transport to topological quantum computation |