WO2021052536A1 - Bauelement zum auslesen der zustände von qubits in quantenpunkten - Google Patents

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electronic component
quantum dot
quantum
gate electrode
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Matthias KÜNNE
Hendrik BLUHM
Lars SCHREIBER
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Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (Rwth) Aachen
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Definitions

  • the invention relates to an electronic component for reading out the quantum state of a qubit in a quantum dot, which is formed by a semiconductor component or a semiconductor-like structure with gate electrode arrangements, comprising a) a substrate with a two-dimensional electron gas or electron hole gas; b) electrical contacts for connecting the gate electrode assemblies to voltage sources; c) gate electrode arrangements with gate electrodes, which are arranged on a surface of the electronic component for generating potential wells in the substrate; d) the gate electrodes of the gate electrode arrangements have parallel electrode fingers, i. in a first gate electrode arrangement, the electrode fingers are periodically interconnected alternately, which one causes the potential well to move almost continuously through the substrate, a first quantum dot being translated with this potential well, and ii. the electrode fingers of a second gate electrode arrangement form a static potential well in which a charge carrier with a known quantum mechanical state is provided.
  • the invention also relates to a method for such an electronic component.
  • These semiconductor components often consist of doped silicon elements in order to realize the circuits.
  • transistor circuits can be arranged in such semiconductor components and linked to form a logic circuit.
  • these semiconductor components can now be produced with ever more extreme compactness.
  • This compactness has reached its physical limits.
  • Both the density of the circuits and the temperature often lead to problems in such semiconductor components.
  • optimizations can be achieved through several layer models, higher switching clocks or the choice of semiconductor material.
  • the computing power is often insufficient for many applications, such as in cryptographic technology or when calculating weather or climate models, due to the enormous amount of data.
  • models for so-called quantum computers have long been known.
  • a quantum mechanical system with two states as the smallest unit for storing information is referred to as a “qubit”.
  • a qubit is defined, for example, by the quantum mechanical state spin “up” and spin “down”.
  • a semiconductor heterostructure serves as the substrate.
  • the semiconductor heterostructure contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Semiconductor heterostructures are monocrystalline layers of semiconductors with different compositions grown on top of one another. These layer structures provide numerous technically relevant quantization effects with regard to their electronic and optical properties. They are therefore particularly suitable for the production of microelectronic components.
  • the currently most important combination of materials for the production of semiconductor heterostructures is the GaAs / AlGaAs system.
  • Semiconductor heterostructures form so-called quantum films at the interfaces between different materials. These arise in particular because of the different energy ratios in the two materials.
  • the predetermined energy distribution has the consequence that charge carriers from the environment collect in the quantum film. There they are largely restricted in their freedom of movement to the layer and form the two-dimensional electron gas (2DEG).
  • a nanoscopic material structure is called a quantum dot.
  • Semiconductor materials are particularly suitable for this.
  • Charge carriers, both electrons and holes, are so limited in their mobility in a quantum dot that their energy can no longer assume continuous, but only discrete values.
  • Using nanoscale gate electrodes (so-called gates), that are applied to the surface of the component the potential landscape within the two-dimensional electron gas (2DEG) is shaped in such a way that individual electrons can be captured in the quantum dots.
  • 2DEG two-dimensional electron gas
  • electronic states can be split up in terms of their spin state (Zeeman effect) and thus addressed separately.
  • the spin of these electrons then serves as a basis for eigenstates to form a logical qubit.
  • due to quantum mechanical effects superimposed states of these two eigenstates can also be realized.
  • a quantum dot device which comprises at least three conductive layers and at least two insulating layers.
  • the three conductive layers are electrically isolated from one another. It is described there that a conductive layer consists of a different material than the other two conductive layers.
  • the conductive layers can for example consist entirely and / or partially of aluminum, gold, copper or polysilicon.
  • the insulating layers consist, for example, of silicon oxide, silicon nitride and / or aluminum oxide. The connections between the conductive layers and the insulating layers have the effect, among other things, that individual electrons are channeled through quantum dots of the device using voltage pulses.
  • quantum dot device an electron is quasi trapped in a potential well. Through quantum mechanical tunneling, an electron is moved from quantum dot to quantum dot. This can lead to inaccuracies or falsifications of the information content about the quantum mechanical state when an electron moves over longer distances.
  • WO 2017/020095 A1 discloses a scalable architecture for a processing device for performing quantum processing.
  • the architecture is based on an all-silicon CMOS manufacturing technology.
  • Transistor-based control circuits are used in conjunction with floating gates to drive a two-dimensional array of qubits.
  • the qubits are defined by the spin states of a single electron that is enclosed in a quantum dot.
  • a higher level is described here, ie how individual qubits can be controlled electrically, for example via transistors etc., including qubit operation and readout.
  • a “scalable architecture” is spoken of, but the array shown does not allow any real scaling, ie, among other things, integration of cryogenic electronics, since no space can be created between the qubits.
  • US Pat. No. 8,164,082 B2 describes a spin bus quantum computer architecture which comprises a spin bus which consists of several strongly coupled qubits which are always based on qubits and which define a chain of spin qubits. A large number of information-carrying qubits are arranged next to a qubit of the spin bus. Electrodes are formed around the information-carrying qubits and the spinbus qubits to enable control of the establishment and disruption of the coupling between qubits to enable control of the establishment and disruption of the coupling between each information-bearing qubit and the adjacent spinbus qubit.
  • the spin-bus architecture enables qubits to be coupled quickly and reliably over long distances.
  • EP 3 016 035 B1 describes a processing device and method for operating it, in particular, but not exclusively, the invention relates to a quantum processing device which can be controlled in order to carry out adiabatic quantum calculations.
  • a quantum processor has the following features: a plurality of qubit elements and a control structure which has a plurality of control components, each control component being arranged to control a plurality of qubit elements.
  • the tax structure is controllable to take a quantum computation Use of the qubit elements to carry out, wherein a quantum state of the qubit elements is encoded in the nuclear or electron spin of one or more donor atoms.
  • the donor atoms are arranged in a plane that is embedded in a semiconductor structure.
  • a first set of donor atoms is arranged to encode quantum information related to quantum computation.
  • a second set of donor atoms is arranged to enable electromagnetic coupling between one or more of the first set of donor atoms.
  • the donor atoms of the first set are arranged in a two-dimensional matrix arrangement.
  • the plurality of control members include a first set of elongate control members disposed in a first plane above the plane containing the donor atoms.
  • a second set of elongate control members are provided which are located in a second level below the level containing the donor atoms.
  • the qubits must be coupled over distances of at least a few micrometers, in particular to create space for local control electronics. Structures and structural elements must be provided that enable a quantum dot to be transported to various destinations in order to be able to set up logic circuits.
  • One or two-dimensional arrays were built from separate quantum dots through which electrons can then be transported. Due to the very large number of gate electrodes required and the voltages to be set with them, a coupling over several micrometers cannot be implemented without considerable effort or even not at all by means of this approach.
  • the object of the invention is therefore to eliminate the disadvantages of the prior art and to create an electronic component which allows logic circuits to be implemented with quantum dots, the quantum mechanical state being determined.
  • the object is achieved in that in an electronic component for reading out the quantum state of a quantum dot of the type mentioned above, in which e) a sensor element for detecting changes in the charge is provided, which detects the charge in the static potential well, the first quantum dot is translated to the second quantum dot.
  • the object is also achieved by a method for such an electronic component with the following method steps: a) introducing a first quantum dot into the static potential well; b) initialization of the charge of the first quantum dot; c) detecting the charge of the first quantum dot by means of the sensor element; d) introducing a qubit of the second quantum dot into the movable potential well; e) bringing the movable potential well up to the static potential well; f) detecting the charge by means of the sensor element in the static potential well; g) Checking the change in charge in the static potential well.
  • the invention is fundamentally based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be filled with electrons with the same spin.
  • a static potential well is generated on the one hand and a movable potential well on the other hand.
  • a quantum dot is introduced into the static potential well, the quantum mechanical state of which is known at one level - the spin of an electron.
  • the movable potential well By means of the movable potential well, another quantum point is brought up to the static potential well at the same level. If the quantum mechanical states are different, the level is now filled. In this case, the sensor element detects a changed charge at this level. If the quantum mechanical states of the quantum dots are the same, then the level cannot absorb another quantum dot. The quantum mechanical state does not change at this level. This makes it possible to determine which quantum mechanical state the introduced quantum dot has.
  • the quantum dot In order to bring the quantum dot with the movable potential well to the static potential well, the quantum dot must be able to be translated through the substrate over a longer distance without the quantum mechanical state changing.
  • the quantum dot is quasi trapped in the potential well, which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement.
  • the potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance.
  • the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly.
  • a magnetic field generator for generating a gradient magnetic field provided for initializing the quantum mechanical state of the quantum dot of the static potential well.
  • a gradient magnetic field or an oscillating magnetic field can be generated with a micro-magnet, for example. These magnetic fields move the quantum dot into a desired quantum mechanical state. This allows the electronic component to be initialized so that it can then interact with the introduced quantum dot at the same level.
  • a second gate electrode arrangement comprises two gate electrodes which together form a static double potential well, each of the static potential wells having a quantum dot with different quantum mechanical states.
  • the potential wells are each occupied with known quantum mechanical states - in the case of electrons, they are spins.
  • the charge carrier exchanges one of the quantum dots, which are held in the double potential well, with the charge carrier of the moving quantum dot.
  • the moving quantum dot always receives a defined quantum mechanical state, since the quantum mechanical states of the quantum dots in the double potential well are known.
  • the sensor element can now use the static double potential well to check whether there has been a charge change. From this it can be concluded what kind of quantum mechanical state the introduced quantum dot had.
  • a gate electrode arrangement consists of two parallel gate electrodes which form a channel-like structure. This measure serves to ensure that the potential well can only move on a certain path in the substrate.
  • the substrate contains gallium arsenide (GaAs) and / or silicon germanium (SiGe). These materials are able to generate a two-dimensional electron gas in which quantum dots can be generated, held and moved. With gallium arsenide the quantum dots are occupied with electrons. In the case of silicon germanium, the quantum dots are filled with holes that are missing an electron.
  • GaAs gallium arsenide
  • SiGe silicon germanium
  • a further preferred embodiment of the electronic component can be achieved in that the respectively interconnected gate electrodes for the moving potential well can be periodically and / or out of phase with voltage. This measure enables the potential well to be guided continuously through the substrate. A quantum dot located in the potential well can thus be translated with the potential well through the substrate. In doing so, it does not lose its original quantum mechanical state.
  • a preferred embodiment of the electronic component consists in that in each case at least every third electrode finger of a gate electrode is connected together for the movable potential well. This is to ensure that the potential well is always guaranteed over at least one period over which the potential well is moved. This is the only way to enable continuous movement of the potential well with the quantum dot. In principle, other combinations are also possible when interconnecting gate electrodes, as long as the potential well can be moved with the quantum dot.
  • an advantageous embodiment for the method according to the invention for an electronic component results from the fact that in each case at least every third gate electrode is connected together and a voltage is periodically applied.
  • connection means are provided for connecting to a qubit of a quantum computer.
  • Translating the states of quantum dots over a greater distance is particularly suitable for quantum computers.
  • the electronic component must therefore have contact options in order to interconnect at least two qubits in order to transfer the quantum states of the quantum dots from one qubit to the other qubit.
  • FIG. 1 shows, in a schematic plan view, the electronic component for reading out the quantum state of a quantum dot with a static potential well.
  • FIG. 2 shows in a schematic basic sketch the sequence of an electronic component according to the invention for reading out the quantum state of a quantum dot with a static potential well.
  • 3 shows, in a schematic plan view, the electronic component for reading out the quantum state of a quantum dot with a static double potential well.
  • 4 shows, in a schematic principle sketch, the sequence of an electronic component according to the invention for reading out the quantum state of a quantum dot with a static double potential well.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment for an electronic component 10 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as substrate 12 for electronic component 10.
  • the electronic component 10 is designed in such a way that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 16, 18 are provided on a surface 14 of the substrate 12.
  • the gate electrode arrangement 16 has two gate electrodes 20, 22.
  • the individual gate electrodes 20, 22 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 24 in a suitable manner.
  • the gate electrode arrangements 16, 18 are provided in layers, the insulating layer 24 being provided between each gate electrode 20, 22.
  • the gate electrodes 20, 22 further comprise electrode fingers 26, 28 which are arranged parallel to one another on the surface 14 of the substrate 12.
  • the gate electrode arrangements 16, 18 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 20, 22 of the gate electrode arrangements 16, a potential well is generated in the substrate 12. A quantum dot or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate. The potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 26, 28 with sinusoidal voltages. The quantum dot or the charge carrier, which is quasi trapped in such a potential well, can be used with Translate this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the substrate 12 made of SiGe without experiencing a quantum mechanical change of state.
  • the gate electrode arrangement 16 forms an area in which a quantum dot can be translated by means of a potential well.
  • the gate electrode arrangement 18 comprises barrier gate electrodes 30, 32 and a pump gate electrode 34, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation.
  • the pump gate electrode 34 is arranged between the barrier gate electrodes 30,32.
  • the gate electrodes 30, 32 and 34 are also each separated by an insulating layer 24.
  • a sensor element 36 for detecting changes in charge is connected to the barrier gate electrode arrangement.
  • the sensor element 36 detects the charge which is present in the static potential well.
  • the potential well is generated by the gate electrode arrangement 18.
  • FIG. 2 shows, in a schematic principle sketch, the sequence for reading out a quantum state of a qubit in a quantum dot 42.
  • the illustration shows a section into the electronic component 10, so that only the electrode fingers 26, 28, the barrier gate electrodes 30, 32 and the pump gate electrodes 34 are visible in section.
  • sequences from A to C of the courses of potential wells 46, 48 in the substrate 12 are shown for the purpose of explaining the function.
  • the electrode fingers 26, 28 of the gate electrode arrangement 16 form the movable potential well 46 through the substrate 12.
  • the movement of the quantum dot 42 in the potential well 46 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 26, 28 12 effect.
  • the electronic component 10 is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be occupied by electrons with the same spin.
  • the static potential well 48 is generated and, on the other hand, the movable potential well 46 by means of the gate electrodes 26, 28 Electron of spin - is known.
  • the quantum dot is aligned with the pump gate electrode 40, eg spin-up, as shown here.
  • the movable potential well 46 By means of the movable potential well 46, a further quantum dot 44 is brought up to the static potential well 48 at the same level.
  • Arrow 50 indicates the translation direction of the quantum dot 44 with the movable potential well 46. If the quantum mechanical states are different, the level is now filled. Filling can be done by tunneling, which is symbolized by arrow 52.
  • the sensor element 36 detects a changed charge at this level. If the quantum mechanical states of the quantum dots 42, 44 are the same, then the level cannot take up another charge carrier 58. The quantum mechanical state does not change at this level. It can thus be determined which quantum mechanical state the introduced quantum dot 42 has.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment for the electronic component 10 according to the invention, which is again formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as substrate 12 for electronic component 10.
  • the electronic component 10 is designed in such a way that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • the gate electrode assemblies 16, 18 are provided on the surface 14 of the substrate 12.
  • the gate electrode arrangement 16 has two gate electrodes 20, 22.
  • the individual gate electrodes 20, 22 are suitably provided with insulating layers 24 electrically separated from each other.
  • gate electrode arrangements 16 are provided in layers, the insulating layer 24 being provided between each gate electrode 20, 22 of the gate electrode arrangement 16.
  • the gate electrodes 20, 22 furthermore include the electrode fingers 26, 28, which are arranged parallel to one another on the surface 14 of the substrate 12.
  • the gate electrode arrangements 16, 18 are supplied with a suitable voltage via electrical connections.
  • a movable potential well is generated in the substrate 12.
  • a quantum dot 42 or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate.
  • the potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 26, 28 with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot 42 which is quasi trapped in such a potential well, can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the substrate 12 made of SiGe without experiencing a quantum mechanical change in state.
  • the gate electrode arrangement 18 forms a static double potential well.
  • the gate electrode arrangement 18 comprises the barrier gate electrodes 30, 32, 38 and, in addition to the pump gate electrode 34, a further pump gate electrode 40, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation.
  • the pump gate electrodes 34, 40 are arranged alternately between the barrier gate electrodes 30, 32 and 38.
  • the sensor element 36 for detecting changes in charge connects to the barrier gate electrode arrangement 18.
  • the sensor element 36 detects the charge which is present in the static double potential well.
  • the double potential well is generated by the gate electrode arrangement 18.
  • 4 shows, in a schematic principle sketch, the sequence for reading out a quantum state of a qubit in the quantum dot 42.
  • the illustration shows a section into the electronic component 10, so that only the electrode fingers 26, 28, the barrier gate electrodes 30, 32, 38 and the pump gate electrodes 34, 40 are visible in section.
  • sequences from A to F of the courses from the potential wells 46, 64, 66 in the substrate 12 are shown for the purpose of explaining the function.
  • the electrode fingers 26, 28 of the gate electrode arrangement 16 form the movable potential wells 46 through the substrate 12.
  • the movement of the potential wells 46 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 26, 28.
  • the electrode fingers 26, 28 of the gate electrode arrangement 16 are interconnected periodically, which cause an almost continuous movement of the potential well 46 through the substrate 12.
  • the electronic component 10 is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be filled with electrons with the same spin.
  • a static double potential well 62 is generated and, on the other hand, the movable potential well 46.
  • a charge carrier 58 is introduced into a first potential well 64 of the static double potential well 62.
  • Two charge carriers 58 are split up with the pump gate electrodes 34, 40, for example with the aid of a gradient magnetic field.
  • a split-off charge carrier 60 tunnels into a second static potential well 66.
  • a further quantum dot 42 is brought up to the second static potential well 66 of the double potential well 62 at the same level.
  • Arrow 50 indicates the translation direction of the quantum dot 42 with the movable potential well 46.
  • the quantum dot 60 of the second static potential well 66 exchanges with the quantum dot 42 of the movable potential well 46.
  • the quantum mechanical state with the movable potential well 46 is known.
  • the quantum dot 42 tunnels, provided it has the same spin as the removed quantum dot 60, again into the first static potential well of the double potential well 62.
  • the sensor element 36 does not detect any change in charge. If the quantum mechanical states of the quantum dot 60 and 42 are different, then so a change in charge is detected.
  • the filling can be done by tunneling, which is symbolized by the arrow 52.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement (10) zum Auslesen des Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt (42), welches von einem Halbleiterbauelement oder einer halbleiterähnlichen Struktur mit Gatterelektrodenanordnungen (16,18) gebildet wird. Das elektronische Bauelement umfasset ein Substrat (12) mit einem zweidimensionalen Elektronengas oder Elektronenlochgas. Elektrische Kontakte verbinden die Gatterelektrodenanordnungen (16,18) mit Spannungsquellen. Die Gatterelektrodenanordnungen (16,18) mit weisen Gatterelektroden (20,22,30,32,34,38,40) auf, welche an einer Fläche (14) des elektronischen Bauelements (10) zur Erzeugung von Potentialmulden (46,48,62,64,66) in dem Substrat (12) angeordnet sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren für ein solches elektronisches Bauelement (10).

Description

Bauelement zum Auslesen der Zustände von Qubits in Quantenpunkten
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauelement zum Auslesen des Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt, welches von einem Halbleiterbauelement oder einer halbleiterähnlichen Struktur mit Gatterelektrodenanordnungen gebildet wird, umfassend a) ein Substrat mit einem zweidimensionalen Elektronengas oder Elektronenlochgas; b) elektrische Kontakte zum Verbinden der Gatterelektrodenanordnungen mit Spannungsquellen; c) Gatterelektrodenanordnungen mit Gatterelektroden, welche an einer Fläche des elektronischen Bauelements zur Erzeugung von Potentialmulden in dem Substrat angeordnet sind; d) die Gatterelektroden der Gatterelektrodenanordnungen parallel verlaufende Elektrodenfinger aufweisen, wobei i. bei einer ersten Gatterelektrodenanordnung die Elektrodenfinger periodisch alternierend zusammengeschaltet sind, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde durch das Substrat bewirkt, wobei ein erster Quantenpunkt mit dieser Potentialmulde translatiert wird, und ii. die Elektrodenfinger einer zweiten Gatterelektrodenanordnung eine statische Potentialmulde bilden, in der ein Ladungsträger mit bekanntem quantenmechanischen Zustand vorgesehen ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren für ein solches elektronische Bauelement.
Beschreibung
Herkömmliche Computer arbeiten mit Halbleiterbauteilen mit integrierten Schaltkreisen. Diese Schaltkreise arbeiten immer mit Systemen, welche auf einer logischen „0" oder „1" basieren - also Schalter „an" oder „aus". Bei Halbleiterspeichern wird dies dadurch realisiert, dass das Potential entweder oberhalb oder unterhalb eines Schwellwerts liegt. Diese zwei Zustände bilden die kleinste Einheit bei Computern und werden als „Bit" bezeichnet.
Diese Halbleiterbauteile bestehen oft aus dotierten Siliziumelementen, um die Schaltungen zu realisieren. So lassen sich beispielsweise Transistorschaltungen in solchen Halbleiterbauteilen anordnen und zu einem logischen Schaltkreis verknüpfen. Durch immer besser werdende chemische und physikalische Herstellungsverfahren können diese Halbleiterbauteile mittlerweile in immer extremerer Kompaktheit produziert werden. Diese Kompaktheit stößt aber an ihre physikalischen Grenzen. Sowohl die Dichte der Schaltungen, als auch die Temperatur führen häufig zu Problemen in solchen Halbleiterbauteilen. So können insbesondere noch Optimierungen durch mehrere Schichtmodelle, höhere Schalttaktung oder auch bei der Wahl des Halbleitermaterials erzielt werden. Trotzdem reichen die Rechenleistungen für viele Anwendungen, wie z.B. in der kryptographischen Technologie oder bei Berechnung von Wetter- bzw. Klimamodellen wegen der enormen Datenmengen oft nicht aus. Um Rechenleistung erheblich zu erhöhen, sind seit langem Modelle für sogenannte Quantencomputer bekannt. Technisch ließen sie sich aus unterschiedlichen Gründen bislang jedoch noch nicht realisieren. Die Modelle von Quantencomputern sehen vor, dass quantenmechanische Zustände von Teilchen, wie z.B. Elektronen, ausgenutzt werden. Dabei wird ein quantenmechanisches System mit zwei Zuständen als kleinste Einheit zum Speichern von Informationen als „Qubit" bezeichnet. Ein Qubit wird beispielsweise durch den quantenmechanischen Zustand Spin „Up" und Spin „Down" definiert.
Das Prinzip von Elektronen-Spin-Qubits gleicht sich immer, unabhängig vom jeweils gewählten Materialsystem. Als Substrat dient dabei eine Halbleiter-Heterostruktur. Die Halbleiter-Heterostruktur beinhaltet ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG). Halbleiter-Heterostrukturen sind monokristallin aufeinander gewachsene Schichten von Halbleitern mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Diese Schichtstrukturen liefern zahlreiche technisch relevante Quantisierungseffekte bezüglich ihrer elektronischen und optischen Eigenschaften. Daher sind sie für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente besonders geeignet. Die derzeit wichtigste Materialkombination für die Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen ist das System GaAs/AIGaAs.
Halbleiter-Heterostrukturen bilden dabei sogenannte Quantenfilme an Grenzflächen verschiedener Materialien aus. Diese entstehen insbesondere wegen unterschiedlicher Energieverhältnisse in den beiden Materialien. Die so vorgegebene Energieverteilung hat zur Folge, dass sich Ladungsträger aus der Umgebung im Quantenfilm sammeln. Dort sind sie dann in ihrer Bewegungsfreiheit weitgehend auf die Schicht eingeschränkt und bilden das zweidimensionale Elektronengas (2DEG).
Als Quantenpunkt wird eine nanoskopische Materialstruktur bezeichnet. Halbleitermaterialien sind hierfür besonders geeignet. Ladungsträger, sowohl Elektronen, als auch Löcher, werden in einem Quantenpunkt in ihrer Beweglichkeit so weit eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern immer nur noch diskrete Werte annehmen kann. Mittels nanoskaliger Gatterelektroden (sog. gates), die auf die Oberfläche des Bauelements aufgebracht werden, wird die Potentiallandschaft innerhalb des zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) derart geformt, dass einzelne Elektronen in den Quantenpunkten eingefangen werden können. Mithilfe eines externen Magnetfelds können elektronische Zustände hinsichtlich ihres Spin-Zustands aufgespalten (Zeeman-Effekt) und damit separat adressiert werden. Anschließend dient der Spin dieser Elektronen als Basis von Eigenzuständen, um ein logisches Qubit zu formen. Darüber hinaus können aufgrund quantenmechanischer Effekte auch überlagerte Zustände dieser beiden Eigenzustände realisiert werden.
Stand der Technik
Aus der US 2017/0317203 Al ist eine Quantenpunktvorrichtung bekannt, die mindestens drei leitende Schichten und mindestens zwei isolierende Schichten umfasst. Dabei sind die drei leitenden Schichten voneinander elektrisch isoliert. Es wird dort beschrieben, dass eine leitende Schicht aus einem anderen Material besteht, als die jeweils beiden anderen leitenden Schichten. Die leitenden Schichten können z.B. vollständig und/oder teilweise aus Aluminium, Gold, Kupfer oder Polysilicium bestehen. Die Isolierschichten bestehen hingegen z.B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid. Dabei bewirken die Verbindungen zwischen den leitenden Schichten und den isolierenden Schichten u.a., dass einzelne Elektronen unter Verwendung von Spannungsimpulsen durch Quantenpunkte der Vorrichtung geschleust werden.
In dieser Quantenpunktvorrichtung ist ein Elektron in einer Potentialmulde quasi gefangen. Durch quantenmechanisches Tunneln wird dabei ein Elektron hier von Quantenpunkt zu Quantenpunkt bewegt. Dies kann zu Ungenauigkeiten bzw. Verfälschungen des Informationsgehalts über den quantenmechanischen Zustand bei der Bewegung eines Elektrons über längere Distanzen führen.
Die WO 2017/020095 Al offenbart eine skalierbare Architektur für ein Verarbeitungsgerät zur Durchführung von Quantenverarbeitung. Die Architektur basiert auf einer Voll-Silizium-CMOS-Fertigungstechnologie. Transistor-basierte Steuerschaltungen werden zusammen mit potentialfreien Gates verwendet, um ein zweidimensionales Array von Qubits zu betreiben. Die Qubits werden durch die Spinzustände eines einzelnen Elektrons definiert, das in einem Quantenpunkt eingeschlossen ist. Hier wird eine übergeordnete Ebene beschrieben, d.h. wie einzelne Qubits elektrisch angesteuert werden können, zum Beispiel via Transistoren etc., inkl. Qubit-Operation und Readout. Es wird zwar von einer „skalierbaren Architektur" gesprochen, jedoch lässt das gezeigte Array keine wirkliche Skalierung, d.h. unter anderem Integration von tiefkalter Elektronik zu, da kein Platz zwischen den Qubits geschaffen werden kann.
Die US 8,164,082 B2 beschreibt eine Spinbus-Quantencomputerarchitektur, die einen Spinbus umfasst, der aus mehreren stark gekoppelten und immer auf Qubits basierenden Qubits besteht, die eine Kette von Spin-Qubits definieren. Eine Vielzahl von informationstragenden Qubits sind neben einem Qubit des Spinbusses angeordnet. Zu den informationstragenden Qubits und den Spinbus-Qubits werden Elektroden gebildet, um die Steuerung der Herstellung und Unterbrechung der Kopplung zwischen Qubits zu ermöglichen, um die Steuerung der Herstellung und Unterbrechung der Kopplung zwischen jedem informationstragenden Qubit und dem angrenzenden Spinbus-Qubit zu ermöglichen. Die Spin-Bus-Architektur ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Kopplung von Qubits über große Entfernungen.
In der EP 3 016 035 Bl wird eine Verarbeitungsvorrichtung und Verfahren beschrieben, um diese zu betreiben, insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf eine Quantenverarbeitungsvorrichtung, die steuerbar ist, um adiabatische Quantenberechnungen durchzuführen.
Ein Quantenprozessor weist dazu folgende Merkmale auf: eine Mehrzahl von Qubit- Elementen und eine Steuerstruktur, die eine Mehrzahl von Steuerbauteilen aufweist, wobei jedes Steuerbauteil angeordnet ist, um eine Mehrzahl von Qubit-Elementen zu steuern. Die Steuerstruktur ist steuerbar, um eine Quantenberechnung unter Verwendung der Qubit-Elemente durchzuführen, wobei ein Quantenzustand der Qubit- Elemente in dem Kern- oder Elektronenspin eines oder mehrerer Donatoratome codiert ist. Die Donatoratome sind in einer Ebene angeordnet, die in einer Halbleiterstruktur eingebettet ist. Dabei ist eine erste Menge von Donatoratomen so angeordnet, um Quanteninformationen in Bezug auf die Quantenberechnung zu codieren. Eine zweite Menge von Donatoratomen ist so angeordnet, dass sie eine elektromagnetische Kopplung zwischen einem oder mehreren der ersten Menge von Donatoratomen ermöglichen. Die Donatoratome der ersten Menge sind in einer zweidimensionalen Matrixanordnung angeordnet. Die Mehrzahl von Steuerbauteilen weist eine erste Menge länglicher Steuerbauteile auf, die in einer ersten Ebene oberhalb der Ebene angeordnet sind, die die Donatoratome enthalten. Eine zweite Menge länglicher Steuerbauteile sind vorgesehen, die in einer zweiten Ebene unterhalb der Ebene angeordnet sind, die die Donatoratome aufweisen.
Zur Realisierung eines universellen Quantencomputers muss eine Kopplung der Qubits über Distanzen von mindestens einigen Mikrometern ermöglicht werden, um insbesondere Platz für lokale Kontrollelektronik zu schaffen. Es müssen Strukturen und Strukturelemente vorgesehen sein, die es ermöglichen einen Quantenpunkt an verschiedene Ziele zu transportieren, um logische Schaltungen aufbauen zu können. Es gibt bereits Ansätze im Stand der Technik, bei denen ein- oder zweidimensionale Arrays aus separaten Quantenpunken gebaut wurden, durch die dann Elektronen transportiert werden können. Aufgrund der sehr großen Anzahl an benötigten Gatterelektroden und damit einzustellenden Spannungen ist mittels dieses Ansatzes eine Kopplung über mehrere Mikrometer nicht ohne bedeutenden Aufwand oder sogar gar nicht zu realisieren.
Während die Operationen an einzelnen Qubits bereits in zufriedenstellendem Maße kontrolliert und ausgewertet werden können, ist die Kopplung von Qubits das möglicherweise zentrale ungelöste Problem, um komplexe logische Schaltungen zu verwirklichen damit ein universeller Quantencomputer realisiert werden kann. Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein elektronisches Bauelement zu schaffen, welches logische Schaltungen mit Quantenpunkten zu realisieren erlaubt, wobei der quantenmechanische Zustand ermittelt werden soll.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem elektronischen Bauteil zum Auslesen des Quantenzustands eines Quantenpunkts der eingangs genannten Art gelöst, bei dem e) ein Sensorelement zum Detektieren von Änderungen der Ladung vorgesehen ist, welches die Ladung in der statischen Potentialmulde erfasst, wobei der erste Quantenpunkt zum zweiten Quantenpunkt translatiert wird.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren für ein solches elektronisches Bauelement mit folgenden Verfahrensschritten gelöst: a) Einbringen eines ersten Quantenpunkts in die statische Potentialmulde; b) Initialisierung der Ladung des ersten Quantenpunkts; c) Erfassen der Ladung des ersten Quantenpunkts mittels des Sensorelements; d) Einbringen eines Qubits des zweiten Quantenpunkts in die bewegliche Potentialmulde; e) Heranführen der beweglichen Potentialmulde an die statische Potentialmulde; f) Erfassen der Ladung mittels des Sensorelements in der statischen Potentialmulde; g) Prüfen der Ladungsveränderung in der statischen Potentialmulde.
Die Erfindung beruht grundsätzlich auf dem physikalischen Pauli-Prinzip, dass ein elektronisches Niveau niemals mit Elektronen gleichen Spins besetzt werden können. Mittels der Gatterelektroden wird zum einen eine statischen Potentialmulde erzeugt und zum anderen eine bewegliche Potentialmulde. In die statische Potentialmulde wird ein Quantenpunkt eingebracht, von dem der quantenmechanische Zustand auf einem Niveau - bei einem Elektron der Spin - bekannt ist. Mittels der beweglichen Potentialmulde wird ein weiterer Quantenpunkt an die statische Potentialmulde in demselben Niveau herangeführt. Sind die quantenmechanischen Zustände unterschiedlich, so wird nun das Niveau aufgefüllt. Das Sensorelement detektiert in dem Fall eine geänderte Ladung auf diesem Niveau. Sind die quantenmechanischen Zustände der Quantenpunkte gleich, dann kann das Niveau nicht noch einen Quantenpunkt aufnehmen. Der quantenmechanische Zustand ändert sich auf diesem Niveau somit nicht. Dadurch kann ermittelt werden, welchen quantenmechanischen Zustand der herangeführte Quantenpunkt aufweist.
Um den Quantenpunkt mit der beweglichen Potentialmulde an die statische Potentialmulde heranzuführen, muss der Quantenpunkt durch das Substrat über eine längere Distanz translatiert werden können, ohne dass sich der quantenmechanische Zustand ändert. Dazu wird der Quantenpunkt in der Potentialmulde, die durch die Gatterelektrodenanordnung in geeigneter Weise erzeugt wird, quasi gefangen. Die Potentialmulde bewegt sich dann kontinuierlich und gerichtet durch das Substrat hindurch und nimmt den Quantenpunkt mit seinem quantenmechanischen Zustand über die Distanz mit. Für die kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde werden die Elektrodenfinger der Gatterelektroden entsprechend verschaltet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements ist ein Magnetfeldgenerator zur Erzeugung eines Gradientenmagnetfelds zur Initialisierung des quantenmechanischen Zustands des Quantenpunkts der statischen Potentialmulde vorgesehen. Beispielsweise mit einem Mikromagneten lässt sich ein Gradientenmagnetfeld oder ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen. Diese Magnetfelder bewegen den Quantenpunkt in einen gewünschten quantenmechanischen Zustand. Damit lässt sich das elektronische Bauelement initialisieren, um es dann mit dem herangeführten Quantenpunkt auf demselben Niveau wechselwirken zu lassen.
In einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ist eine zweite Gatterelektrodenanordnung zwei Gatterelektroden umfasst, die gemeinsam eine statische Doppelpotentialmulde ausbilden, wobei jede der statischen Potentialmulden jeweils einen Quantenpunkt mit unterschiedlichen quantenmechanischen Zuständen aufweist. Dabei werden die Potentialmulden jeweils mit bekannten quantenmechanischen Zuständen -im Fall von Elektronen sind es Spins -besetzt. Hierbei tauscht der Ladungsträger eines der Quantenpunkte, welche in der Doppelpotentialmulde gehalten werden, mit dem Ladungsträger des bewegten Quantenpunkts. Dadurch erhält der bewegte Quantenpunkt immer einen definierten quantenmechanischen Zustand, da die quantenmechanischen Zustände der Quantenpunkte in der Doppelpotentialmulde bekannt sind. Das Sensorelement kann nun an der statischen Doppelpotentialmulde überprüfen, ob es einen Ladungswechsel gegeben hat. Daraus lässt sich schließen, was für einen quantenmechanischen Zustand der herangeführte Quantenpunkt hatte.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des elektronischen Bauelements besteht eine Gatterelektrodenanordnung aus zwei parallelen Gatterelektroden, welche eine kanalartige Struktur bilden. Diese Maßnahme dient dazu, dass die Potentialmulde sich nur auf einer bestimmten Bahn in dem Substrat bewegen kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines solchen elektronischen Bauelements enthält das Substrat Galliumarsenid (GaAs) und/oder Silizumgermanium (SiGe). Diese Materialien sind in der Lage ein zweidimensionales Elektronengas zu erzeugen, in welchem sich Quantenpunkte erzeugen, halten und bewegen lassen. Bei Galliumarsenid werden die Quantenpunkte mit Elektronen besetzt. Bei Siliziumgermanium werden die Quantenpunkte mit Löchern, bei denen ein Elektron fehlt, besetzt.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung des elektronischen Bauelements lässt sich damit erreichen, dass die jeweils zusammengeschalteten Gatterelektroden für die bewegte Potentialmulde periodisch und/oder phasenverschoben mit Spannung beaufschlagbar ausgebildet sind. Diese Maßnahme ermöglicht es die Potentialmulde kontinuierlich durch das Substrat zu führen. Damit kann ein Quantenpunkt, der sich in der Potentialmulde befindet, mit der Potentialmulde durch das Substrat translatiert werden. Dabei verliert er nicht seinen ursprünglichen quantenmechanischen Zustand.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des elektronischen Bauelements besteht darin, dass jeweils mindestens jeder dritte Elektrodenfinger einer Gatterelektrode für die bewegbare Potentialmulde zusammengeschaltet ist. Damit soll gewährleistet sein, dass die Potentialmulde immer über wenigstens eine Periode gewährleistet ist, über welche die Potentialmulde bewegt wird. Nur so wird eine kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde mit dem Quantenpunkt ermöglicht. Grundsätzlich sind auch andere Kombinationen bei der Zusammenschaltung von Gatterelektroden möglich, solange eine Bewegung der Potentialmulde mit dem Quantenpunkt durchgeführt werden kann. Entsprechend ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung für das erfindungsgemäße Verfahren für ein elektronisches Bauteil dadurch, dass jeweils zumindest jede dritte Gatterelektrode zusammengeschaltet und periodisch mit Spannung beaufschlagt wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements besteht darin, dass Verbindungsmittel zum Verbinden mit einem Qubit eines Quantencomputers vorgesehen sind. Die Zustände von Quantenpunkten über eine größere Distanz zu translatieren eignet sich besonders bei Quantencomputern. Hier gilt es Qubits miteinander zu verschalten. Daher muss das elektronische Bauelement Kontaktmöglichkeiten haben um wenigstens zwei Qubits zu verschalten, um die Quantenzustände der Quantenpunkte von einem Qubit zum anderen Qubit zu übergeben. Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche sowie den Zeichnungen mit den dazugehörigen Beschreibungen. Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung soll nicht alleine auf diese aufgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt werden. Die vorliegende Erfindung soll sich auf alle Gegenstände beziehen, die jetzt und zukünftig der Fachmann als naheliegend zur Realisierung der Erfindung heranziehen würde. Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die derzeit besten möglichen Ausführungsarten der Offenbarung. Sie dienen lediglich zur näheren Erläuterung der Erfindung. Die Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, sondern dient lediglich der Veranschaulichung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung, da der Umfang der Erfindung am besten durch die beigefügten Ansprüche definiert wird. Dabei gilt der zitierte Stand der Technik als Teil der zur Erfindung gehörigen Offenbarung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt in schematischer Draufsicht das elektronische Bauelement zum Auslesen des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischen Potentialmulde.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements zum Auslesen des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischen Potentialmulde.
Fig. 3 zeigt in schematischer Draufsicht das elektronische Bauelement zum Auslesen des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischen Doppelpotentialmulde. Fig. 4 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements zum Auslesen des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischen Doppelpotentialmulde.
Bevorzugtes Ausführungsbeispiel
In Fig. 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement 10 dargestellt, welches aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 12 für das elektronische Bauelement 10 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 10 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf einer Fläche 14 des Substrats 12 sind Gatterelektrodenanordnungen 16, 18 vorgesehen.
Die Gatterelektrodenanordnung 16 weist zwei Gatterelektroden 20, 22 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 20, 22 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 24 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektrodenanordnungen 16, 18, sind dazu schichtweise vorgesehen, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 20, 22 jeweils die Isolierschicht 24 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 20, 22 umfassen weiterhin Elektrodenfinger 26, 28, die parallel zueinander auf der Fläche 14 des Substrats 12 angeordnet sind.
Die Gatterelektrodenanordnungen 16, 18 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 20, 22 der Gatterelektrodenanordnungen 16 wird eine Potentialmulde in dem Substrat 12 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde gefangener Quantenpunkt bzw. Ladungsträger lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 26, 28 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt bzw. der Ladungsträger, der in einer solchen Potentialmulde quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 12 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren.
Die Gatterelektrodenanordnung 16 bildet einen Bereich aus, in dem ein Quantenpunkt mittels einer Potentialmulde translatiert werden kann. Die Gatterelektrodenanordnung 18 bildet hingegen eine statische Potentialmulde aus. Die Gatterelektrodenanordnung 18 umfasst dafür Barriere-Gatterelektroden 30, 32 und eine Pump-Gatterelektrode 34, welche einen Quantenpunkt bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen kann. Die Pump-Gatterelektrode 34 ist zwischen den Barriere- Gatterelektroden 30, 32 angeordnet. Auch die Gatterelektroden 30, 32 und 34 sind jeweils durch eine Isolierschicht 24 getrennt.
An die Barriere-Gatterelektrodenanordnung schließt ein Sensorelement 36 zum Detektieren von Ladungsänderungen an. Das Sensorelement 36 erfasst die Ladung, welche in der statischen Potentialmulde vorliegt. Die Potentialmulde wird durch die Gatterelektrodenanordnung 18 generiert.
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf für ein Auslesen eines Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt 42. Die Abbildung zeigt einen Schnitt in das elektronische Bauelements 10, so dass nur noch die Elektrodenfinger 26, 28, die Barriere-Gatterelektroden 30, 32 und die Pump-Gatterelektroden 34 im Schnitt sichtbar sind. Darunter sind Abfolgen von A bis C der Verläufe von Potentialmulden 46, 48 in dem Substrat 12 zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 26, 28 der Gatterelektrodenanordnung 16 bildet durch das Substrat 12 die bewegliche Potentialmulde 46 aus. Die Bewegung des Quantenpunkts 42 in der Potentialmulde 46 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 26, 28. Die Elektrodenfinger 26, 28 der Gatterelektrodenanordnung 16 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung des Quantenpunkts 42 in der Potentialmulde 46 durch das Substrat 12 bewirken. Das elektronische Bauteil 10 beruht auf dem auf dem physikalischen Pauli-Prinzip, dass ein elektronisches Niveau niemals mit Elektronen gleichen Spins besetzt werden kann. Mittels der Gatterelektroden 30, 32 wird zum einen die statische Potentialmulde 48 erzeugt und zum anderen die bewegliche Potentialmulde 46 mittel der Gatterelektroden 26, 28. In die statische Potentialmulde 48 wird ein Quantenpunkt 42 eingebracht, von dem der quantenmechanische Zustand auf einem Niveau -bei einem Elektron der Spin - bekannt ist. Der Quantenpunkt wird mit der Pump-Gatterelektrode 40 ausgerichtet, z.B. Spin-Up, wie hier dargestellt. Mittels der beweglichen Potentialmulde 46 wird ein weiterer Quantenpunkt 44 an die statische Potentialmulde 48 in demselben Niveau herangeführt. Pfeil 50 deutet die Translationsrichtung des Quantenpunkts 44 mit der beweglichen Potentialmulde 46 an. Sind die quantenmechanischen Zustände unterschiedlich, so wird nun das Niveau aufgefüllt. Das Auffüllen kann durch Tunneln erfolgen, was mit Pfeil 52 symbolisiert wird.
Das Sensorelement 36 detektiert in dem Fall, dass ein Quantenpunkt hinzugekommen ist eine geänderte Ladung auf diesem Niveau. Sind die quantenmechanischen Zustände der Quantenpunkte 42, 44 gleich, dann kann das Niveau nicht noch einen Ladungsträger 58 aufnehmen. Der quantenmechanische Zustand ändert sich auf diesem Niveau somit nicht. Damit kann ermittelt werden, welchen quantenmechanischen Zustand der herangeführte Quantenpunkt 42 aufweist.
In Fig. 3 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäßes elektronische Bauelement 10 dargestellt, welches wieder aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 12 für das elektronische Bauelement 10 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 10 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf der Fläche 14 des Substrats 12 sind die Gatterelektrodenanordnungen 16, 18 vorgesehen.
Die Gatterelektrodenanordnung 16, weist zwei Gatterelektroden 20, 22 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 20, 22 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 24 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektroden 20, 22 der
Gatterelektrodenanordnung 16 sind dazu schichtweise vorgesehen, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 20, 22 der Gatterelektrodenanordnung 16 die Isolierschicht 24 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 20, 22 umfassen weiterhin die Elektrodenfinger 26, 28, die parallel zueinander auf der Fläche 14 des Substrats 12 angeordnet sind.
Die Gatterelektrodenanordnungen 16, 18 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 20, 22 der Gatterelektrodenanordnung 16 wird eine bewegliche Potentialmulde in dem Substrat 12 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde gefangener Quantenpunkt 42 bzw. Ladungsträger lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 26, 28 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt 42, der in einer solchen Potentialmulde quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 12 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren.
Die Gatterelektrodenanordnung 18 bildet eine statische Doppelpotentialmulde aus. Die Gatterelektrodenanordnung 18 umfasst dafür die Barriere-Gatterelektroden 30, 32, 38 und neben der Pump-Gatterelektrode 34 eine weitere Pump-Gatterelektrode 40, welche einen Quantenpunkt bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen kann. Die Pump-Gatterelektroden 34, 40 sind abwechselnd zwischen den Barriere- Gatterelektroden 30, 32 und 38 angeordnet.
An die Barriere-Gatterelektrodenanordnung 18 schließt das Sensorelement 36 zum Detektieren von Ladungsänderungen an. Das Sensorelement 36 erfasst die Ladung, welche in der statischen Doppelpotentialmulde vorliegt. Die Doppelpotentialmulde wird durch die Gatterelektrodenanordnung 18 generiert. Fig. 4 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf für ein Auslesen eines Quantenzustands eines Qubits in dem Quantenpunkt 42. Die Abbildung zeigt einen Schnitt in das elektronische Bauelement 10, so dass nur noch die die Elektrodenfinger 26, 28, die Barriere-Gatterelektroden 30, 32, 38 und die Pump-Gatterelektroden 34, 40 im Schnitt sichtbar sind. Darunter sind Abfolgen von A bis F der Verläufe von den Potentialmulden 46, 64, 66 in dem Substrat 12 zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 26, 28 der Gatterelektrodenanordnung 16 bildet durch das Substrat 12 die beweglichen Potentialmulden 46 aus. Die Bewegung der Potentialmulden 46 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 26, 28. Die Elektrodenfinger 26, 28 der Gatterelektrodenanordnung 16 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde 46 durch das Substrat 12 bewirken.
Das elektronische Bauteil 10 beruht auf dem auf dem physikalischen Pauli-Prinzip, dass ein elektronisches Niveau niemals mit Elektronen gleichen Spins besetzt werden können. Mittels der Gatterelektroden 30, 32 und 38 wird zum einen eine statische Doppelpotentialmulde 62 erzeugt und zum anderen die bewegliche Potentialmulde 46. In eine erste Potentialmulde 64 der statischen Doppelpotentialmulde 62 wird ein Ladungsträger 58 eingebracht. Zwei Ladungsträger 58 werden mit den Pump- Gatterelektroden 34, 40 aufgespalten, z.B. mit Hilfe eines Gradientenmagnetfelds. Ein abgespaltener Ladungsträger 60 tunnelt in eine zweite statische Potentialmulde 66. Mittels der beweglichen Potentialmulde 46 wird ein weiterer Quantenpunkt 42 an die zweite statische Potentialmulde 66 der Doppelpotentialmulde 62 in demselben Niveau herangeführt. Pfeil 50 deutet die Translationsrichtung des Quantenpunkts 42 mit der beweglichen Potentialmulde 46 an. Der Quantenpunkt 60 der zweiten statischen Potentialmulde 66 tauscht mit dem Quantenpunkt 42 der beweglichen Potentialmulde 46. Der quantenmechanische Zustand mit der beweglichen Potentialmulde 46 ist bekannt. Der Quantenpunkt 42 tunnelt, sofern er den gleichen Spin hat, wie der weggeführte Quantenpunkt 60 wieder in die erste statische Potentialmulde der Doppelpotentialmulde 62. Das Sensorelement 36 erfasst keine Ladungsänderung. Sind die quantenmechanische Zustände von dem Quantenpunkt 60 und 42 unterschiedlich, so wird eine Ladungsänderung detektiert. Das Auffüllen kann durch Tunneln erfolgen, was mit dem Pfeil 52 symbolisiert wird.
Bezugszeichenliste
10 Elektronisches Bauelement 62 Doppelpotentialmulde
12 Substrat 64 erste stat. Potentialmulde
14 Fläche 66 zweite stat. Potentialmulde
16 Gatterelektrodenanordnung
18 Gatterelektrodenanordnung
20 Gatterelektroden
22 Gatterelektroden
24 Isolierschicht
26 Elektrodenfinger
28 Elektrodenfinger
30 Barriere-Gatterelektrode
32 Barriere-Gatterelektrode
34 Pump-Gatterelektrode
36 Sensorelement
38 Barriere-Gatterelektroden
40 Pump-Gatterelektrode
42 Quantenpunkt
44 Quantenpunkt
46 Bewegte Potentialmulde
48 Statische Potentialmulde
50 Pfeil (Translation)
52 Pfeil (Tunneln)
58 Ladungsträger
60 Abgespaltener Quantenpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Bauelement (10) zum Auslesen des Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt (42), welches von einem Halbleiterbauelement oder einer halbleiterähnlichen Struktur mit Gatterelektrodenanordnungen (16,18) gebildet wird, umfassend a) ein Substrat (12) mit einem zweidimensionalen Elektronengas oder Elektronenlochgas; b) elektrische Kontakte zum Verbinden der Gatterelektrodenanordnungen (16,18) mit Spannungsquellen; c) Gatterelektrodenanordnungen (16,18) mit Gatterelektroden (20,22,30, 32,34, 38,40), welche an einer Fläche (14) des elektronischen Bauelements (10) zur Erzeugung von Potentialmulden (46,48, 62,64,66) in dem Substrat (12) angeordnet sind; d) die Gatterelektroden (20, 22) der Gatterelektrodenanordnungen (16, 18) parallel verlaufende Elektrodenfinger (26,28) aufweisen, wobei i. bei einer ersten Gatterelektrodenanordnung (16) die Elektrodenfinger (26, 28) periodisch alternierend zusammengeschaltet sind, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde (46) durch das Substrat (12) bewirkt, wobei ein erster Quantenpunkt (42) mit dieser Potentialmulde (46) translatiert wird, und ii. die Elektrodenfinger einer zweiten Gatterelektrodenanordnung (18) eine statische Potentialmulde (48,62) bilden, in der ein zweiter Ladungsträger (58) mit bekanntem quantenmechanischem Zustand vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass e) ein Sensorelement (36) zum Detektieren von Änderungen der Ladung vorgesehen ist, welches die Ladung in der statischen Potentialmulde (48,62) erfasst, wobei der erste Quantenpunkt (42) zum zweiten Quantenpunkt (44) translatiert wird.
2. Elektronisches Bauelement (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldgenerator zur Erzeugung eines Gradientenmagnetfelds zur Initialisierung des quantenmechanischen Zustands des Quantenpunkts der statischen Potentialmulde (48,62) vorgesehen ist.
3. Elektronisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gatterelektrodenanordnung (18) zwei weitere Gatterelektroden (38,40) umfasst, die gemeinsam eine statische Doppelpotentialmulde (62) ausbilden, wobei jede der statischen Potentialmulden (64,66) jeweils einen Quantenpunkt (44, 60) mit unterschiedlichen quantenmechanischen Zuständen aufweist.
4. Elektronisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gatterelektrodenanordnung (16) für die bewegte Potentialmulde (46) aus zwei parallelen Gatterelektroden (26, 28) besteht, welche eine kanalartige Struktur bilden.
5. Elektronisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) des elektronischen Bauelements (10) Galliumarsenid (GaAs) und/oder Silizumgermanium (SiGe) enthält.
6. Elektronisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zusammengeschalteten Gatterelektroden (20, 22) für die bewegte Potentialmulde (46) periodisch und/oder phasenverschoben mit Spannung beaufschlagbar ausgebildet sind.
7. Elektronisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils jeder dritte Elektrodenfinger (26, 28) einer Gatterelektrode (20,22) für die bewegbare Potentialmulde (46) zusammengeschaltet ist.
8. Elektronisches Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsmittel zum Verbinden mit einem Qubit eines Quantencomputers vorgesehen sind.
9. Elektronisches Bauelement (10), nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldgenerator für ein zuschaltbares Magnetfeld vorgesehen ist.
10. Verfahren für ein elektronisches Bauelement (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit den nachfolgenden Verfahrensschritten: a) Einbringen eines ersten Ladungsträgers (58) in den Quantenpunkt (44) der statischen Potentialmulde (48, 62); b) Initialisierung des quantenmechanischen Zustands des Ladungsträgers (58) des ersten Quantenpunkts (44); c) Erfassen der Ladung des ersten Quantenpunkts (44) mittels des Sensorelements (36); d) Einbringen eines Qubits des zweiten Quantenpunkts (42) in die bewegliche Potentialmulde (46); e) Heranführen der beweglichen Potentialmulde (46) an die statische Potentialmulde (48,62); f) Überführen der Ladung aus dem Quantenpunkt (42) in den Quantenpunkt (44); g) Erfassen der Ladung mittels des Sensorelements (36) in der statischen Potentialmulde (48,62); h) Prüfen der Ladungsveränderung in der statischen Potentialmulde (48,62).
11. Verfahren für ein elektronisches Bauelement (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die statische Potentialmulde (62) als eine
Doppelpotentialmulde (64,66) ausgebildet wird, die jeweils mit Ladungsträgern mit unterschiedlichen quantenmechanischen Zuständen besetzt sind.
12. Verfahren für ein elektronisches Bauelement (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zusammengeschalteten Gatterelektroden (20,22) für die bewegliche Potentialmulde (46) phasenverschoben mit Spannung beaufschlagt werden, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde (46) durch das Substrat (12) bewirkt, wobei ein Quantenpunk (42) mit dieser Potentialmulde (46) translatiert wird.
13. Verfahren für ein elektronisches Bauelement (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils jede vierte Gatterelektrode (20,22) für die bewegliche Potentialmulde (46) zusammengeschaltet und periodisch mit Spannung beaufschlagt wird.
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