▶ インフィニット ポテンシャル ラボラトリーズ リミテッド パートナーシップの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-05-11
(54)【発明の名称】量子制御デバイスおよび方法
(51)【国際特許分類】
H01L 29/06 20060101AFI20220428BHJP
B82Y 10/00 20110101ALI20220428BHJP
B82Y 30/00 20110101ALI20220428BHJP
【ＦＩ】
H01L29/06 601N
B82Y10/00
B82Y30/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021553761
(86)(22)【出願日】2020-03-05
(85)【翻訳文提出日】2021-10-29
(86)【国際出願番号】 CA2020050291
(87)【国際公開番号】W WO2020181362
(87)【国際公開日】2020-09-17
(31)【優先権主張番号】62/815,974
(32)【優先日】2019-03-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】521404646
【氏名又は名称】インフィニット ポテンシャル ラボラトリーズ リミテッド パートナーシップ
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【識別番号】100086771
【弁理士】
【氏名又は名称】西島 孝喜
(74)【代理人】
【識別番号】100109335
【弁理士】
【氏名又は名称】上杉 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100139712
【弁理士】
【氏名又は名称】那須 威夫
(72)【発明者】
【氏名】マクリーン スティーヴ
(72)【発明者】
【氏名】フィリオン－グルドー フランソワ
(72)【発明者】
【氏名】レヴェスク ピエール ルイ ジョセフ
(72)【発明者】
【氏名】マクリーン ジャン－フィリップ ダブリュー
(57)【要約】
一般的な態様では、量子制御デバイスは、基材表面を有する基材を含む。絶縁体層が基材表面の上に配設され、空洞を画成する。絶縁体層は、空洞への開口部を画成する絶縁体表面を含む。量子制御デバイスはまた、絶縁体表面の上にある場反応性層も含む。場反応性層は、空洞への開口部の上に定置される標的領域を含む。量子制御デバイスは、基材から空洞内へと延在し先端部で終端する突起を更に含む。突起は、標的領域の量子状態と相互作用する電場を生むように構成されている。先端部は空洞内に定置され、突起が生む電場を集中させるように構成されている。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材表面を備える基材と、前記基材表面の上にあり空洞を画成する絶縁体層であって、前記空洞への開口部を画成する絶縁体表面を備える、絶縁体層と、
前記絶縁体表面の上にあり前記空洞への前記開口部の上に定置される標的領域を備える、場反応性層と、
前記基材から前記空洞内へと延在し先端部において終端する突起であって、前記突起は前記標的領域の量子状態と相互作用する電場を生むように構成されており、前記先端部は前記空洞内に定置され、前記突起が生む前記電場を集中させるように構成されている、突起と、
を備える、量子制御デバイス。
【請求項2】
前記先端部は前記空洞内で前記標的領域から１００ｎｍ未満に定置される、請求項１に記載の量子制御デバイス。
【請求項3】
前記先端部は前記空洞内で前記標的領域から２０ｎｍ未満に定置される、請求項１に記載の量子制御デバイス。
【請求項4】
前記突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、請求項１に記載の量子制御デバイス。
【請求項5】
前記突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、請求項１に記載の量子制御デバイス。
【請求項6】
前記突起の前記先端部は、前記電場を前記標的領域において少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項7】
前記突起の前記先端部は、前記電場を前記標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項8】
前記基材、前記絶縁体層、および前記場反応性層は前記空洞内に密閉空間を画成し、前記密閉空間は前記突起と前記絶縁体層の間に第１のクリアランス容積を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項9】
前記密閉空間は前記突起と前記場反応性層の間に第２のクリアランス容積を備える、請求項８に記載の量子制御デバイス。
【請求項10】
前記密閉空間は１０-5トール以下の真空圧を閉じ込めている、請求項８に記載の量子制御デバイス。
【請求項11】
前記密閉空間は誘電体材料で少なくとも部分的に充填されている、請求項８に記載の量子制御デバイス。
【請求項12】
前記基材表面および前記絶縁体表面は平面状の表面である、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項13】
前記突起の前記先端部は円錐形状を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項14】
前記突起の前記先端部はテクスチャ化表面を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項15】
前記突起の前記先端部はナノ粒子を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項16】
前記突起の前記先端部はコーティングされた外面を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項17】
前記標的領域は前記場反応性層の原子構造における侵入部を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項18】
前記標的領域は前記場反応性層の原子構造における置換部を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項19】
前記標的領域は前記場反応性層の原子構造における空所を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項20】
前記標的領域は前記場反応性層の表面上の原子または分子を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項21】
前記原子または分子は前記場反応性層の外側表面上に配設されている、請求項２０に記載の量子制御デバイス。
【請求項22】
前記原子または分子は前記場反応性層の内側表面上に配設されている、請求項２０に記載の量子制御デバイス。
【請求項23】
前記場反応性層はパターン化された層である、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項24】
前記パターン化された層は２つ以上の材料で形成されている、請求項２３に記載の量子制御デバイス。
【請求項25】
前記場反応性層は複数の層を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項26】
前記複数の層はパターン化された層を含む、請求項２５に記載の量子制御デバイス。
【請求項27】
前記複数の層は、前記標的領域を包含している標的層と、
前記絶縁体層と前記標的層の間に配設されている中間層と、を備え、
前記中間層の厚さは、前記突起の前記先端部と前記場反応性層の前記標的領域の間の距離の一部である、請求項２５に記載の量子制御デバイス。
【請求項28】
前記距離は１００ｎｍ未満である、請求項２７に記載の量子制御デバイス。
【請求項29】
前記距離は２０ｎｍ未満である、請求項２７に記載の量子制御デバイス。
【請求項30】
前記場反応性層はグラフェンの層を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項31】
各々が前記基材から前記空洞内へと延在し先端部で終端する、複数の突起を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項32】
前記基材と前記突起は異なる材料で形成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項33】
前記突起は前記基材の一部である、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項34】
前記絶縁体層は、前記基材表面の上にある第１の絶縁体層と、
前記第１の絶縁体層と前記場反応性層の間の第２の絶縁体層と、を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項35】
前記場反応性層の上にある第２の絶縁体層を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項36】
前記第２の絶縁体層は前記空洞の前記開口部に対向する正孔を備える、請求項３５に記載の量子制御デバイス。
【請求項37】
前記第２の絶縁体層の上にある導電層を備える、請求項３５に記載の量子制御デバイス。
【請求項38】
前記突起の基部の反対側にある電気コンタクトを備える、前記基材の下にあるアドレッシング層を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項39】
前記電気コンタクトは前記基材に電圧を送達するように構成されており、前記基材は前記電場を生むために前記突起に前記電圧を伝達するように構成されている、請求項３８に記載の量子制御デバイス。
【請求項40】
前記電気コンタクトは前記基材から電気信号を受け取るように構成されており、前記電気信号は前記標的領域の前記量子状態を特徴付けるものであり、前記基材は前記突起から前記電気コンタクトへと前記電気信号を伝達するように構成されている、請求項３８に記載の量子制御デバイス。
【請求項41】
前記絶縁体層は、前記空洞の少なくとも一部を画成する前記突起を取り囲む内側側壁を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項42】
前記内側側壁は前記空洞への前記開口部において前記絶縁体表面に接している、請求項４１に記載の量子制御デバイス。
【請求項43】
前記開口部は前記空洞の第１の開口部であり、前記絶縁体表面は前記絶縁体層の第１の絶縁体表面であり、前記絶縁体層は、前記基材表面に結合されており前記第１の絶縁体表面の反対側にある第２の絶縁体表面を備え、
前記内側側壁は前記絶縁体層の厚さの中に延在し、前記空洞の第２の開口部において前記第２の絶縁体表面に接しており、
前記突起は前記基材から前記空洞の前記第２の開口部を通って延在し、
前記突起は前記基材から前記絶縁体層の前記厚さ未満の高さまで延在する、
請求項４１に記載の量子制御デバイス。
【請求項44】
前記基材表面、前記第１の絶縁体表面、および前記第２の絶縁体表面は平面状の表面である、請求項４３に記載の量子制御デバイス。
【請求項45】
前記基材表面は第１の基材表面であり、前記基材は、前記第１の基材表面の反対側にある第２の基材表面と、
前記突起の基部の反対側にある前記第２の基材表面上に形成された集光構造体であって、前記突起へと光を案内するように構成されている、集光構造体と、を備える、
請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項46】
前記集光構造体は前記第２の基材表面上に形成された回折パターンである、請求項４５に記載の量子制御デバイス。
【請求項47】
前記集光構造体は前記第２の基材表面上に形成されたレンズである、請求項４５に記載の量子制御デバイス。
【請求項48】
前記第１の基材表面、前記２の基材表面、および前記絶縁体表面は平面状の表面である、請求項４５に記載の量子制御デバイス。
【請求項49】
前記標的領域上へと光線を導くように構成されているレーザと、前記光線を受けることに反応して前記標的領域から放射される電子を受け取るように構成されている、電子分光計と、
を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項50】
前記標的領域から光子を受け取るように構成されている光学分光計を備える、請求項４９に記載の量子制御デバイス。
【請求項51】
前記絶縁体層、前記場反応性層、前記空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路を備え、前記光導波路は、前記標的領域の前記量子状態に結合する光子を伝播させるように構成されている、
請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項52】
基材上の突起から電場を生成することであって、前記突起は、前記基材の基材表面から絶縁体層によって画成される空洞内へと延在し、前記絶縁体層は前記基材表面の上に配設されており、前記空洞への開口部を画成する絶縁体表面を備える、生成することと、場反応性層の標的領域において前記電場を受けることであって、前記場反応性層は前記絶縁層の上に配設されており、前記標的領域は前記空洞の前記開口部の上に定置されている、受けることと、
前記場反応性層の前記標的領域の量子状態と相互作用するように前記電場を制御することと、
を含む、量子制御方法。
【請求項53】
前記突起において前記電場を生成することは、前記突起の先端部を用いて前記電場を集中させることを含み、前記標的領域において前記電場を受けることは、前記標的領域において前記集中させた電場を受けることを含む、
請求項５２に記載の量子制御方法。
【請求項54】
前記集中させた電場は少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさを有する、請求項５３に記載の量子制御方法。
【請求項55】
前記集中させた電場は前記標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさを有する、請求項５３に記載の量子制御方法。
【請求項56】
前記突起から前記電場を生成することは、前記基材の下にあり前記突起の基部の反対側にある電気コンタクトに電圧を印加することと、
前記電圧を前記基材を通して前記突起に伝達することと、を含む、
請求項５２に記載の量子制御方法。
【請求項57】
前記突起から前記基材の下にあり前記突起の基部の反対側にある電気コンタクトへと電気信号を伝達することであって、前記電気信号は前記標的領域の前記量子状態を特徴付けるものである、伝達すること、を含む、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項58】
前記基材表面は第１の基材表面であり、前記基材は前記第１の基材表面の反対側にある第２の基材表面を含み、前記突起から前記電場を生成することは、
前記突起の基部の反対側にある集光構造体において光線を受けることであって、前記集光構造体は前記第２の基材表面上に形成されている、受けることと、
前記集光構造体を用いて前記突起へと光を案内することと、を含む、
請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項59】
前記場反応性層の前記標的領域において光線を受けることを含む、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項60】
前記光線に反応して前記標的領域から放射された電子を電子分光計において受けることを含む、請求項５９に記載の量子制御方法。
【請求項61】
前記量子状態と相互作用するように前記電場を制御することは、前記場反応性層の前記標的領域の前記量子状態を変更するために前記電場の大きさを変更することを含む、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項62】
前記電場を生成している間に、前記突起から前記場反応性層の前記標的領域へと電子を伝達することを含む、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項63】
前記先端部は前記空洞内で前記標的領域から１００ｎｍ未満に定置される、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項64】
前記先端部は前記空洞内で前記標的領域から２０ｎｍ未満に定置される、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項65】
前記突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項66】
前記突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項67】
前記標的領域は前記場反応性層の原子構造における侵入部を備える、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項68】
前記標的領域は前記場反応性層の原子構造における置換部を備える、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項69】
前記標的領域は前記場反応性層の原子構造における空所を備える、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項70】
前記標的領域は前記場反応性層の表面上の原子または分子を含む、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項71】
前記原子または分子は前記場反応性層の外側表面上に配設されている、請求項７０に記載の量子制御方法。
【請求項72】
前記原子または分子は前記場反応性層の内側表面上に配設されている、請求項７０に記載の量子制御方法。
【請求項73】
前記絶縁体層、前記場反応性層、前記空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路内で、光子を伝播させることと、前記光子を前記標的領域の前記量子状態に結合することと、
を含む、請求項５２～５６のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項74】
基材と、空洞のアレイを画成する絶縁体層と、
対応する空洞と各々位置合わせされている標的領域のアレイを備える、前記絶縁体層の上にある場反応性層と、
前記基材から対応する空洞内へと延在する突起であって、各々が
前記突起に近接した標的領域の量子状態と相互作用し、
前記標的領域の前記量子状態と隣り合う標的領域の量子状態との間の量子結合を制御する、電場を生むように構成されている、突起と、
を備える、量子制御デバイス。
【請求項75】
隣り合う標的領域の間の距離は７００ｎｍ以下である、請求項７４に記載の量子制御デバイス。
【請求項76】
少なくとも１つの突起は、前記電場の一部を画成する対応する電場を各々生む突起のサブセットを備える、請求項７４に記載の量子制御デバイス。
【請求項77】
各突起は、前記対応する空洞内で前記近接した標的領域から１００ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、請求項７４に記載の量子制御デバイス。
【請求項78】
各突起は、前記対応する空洞内で前記近接した標的領域から２０ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、請求項７４に記載の量子制御デバイス。
【請求項79】
各突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、請求項７４に記載の量子制御デバイス。
【請求項80】
各突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、請求項７４に記載の量子制御デバイス。
【請求項81】
各突起は、前記突起が生む前記電場を集中させるように構成されている先端部において終端する、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項82】
前記先端部は、前記電場を前記突起に近接した前記標的領域において少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさまで集中させる、請求項８１に記載の量子制御デバイス。
【請求項83】
前記先端部は、前記電場を前記突起に近接した前記標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさまで集中させる、請求項８１に記載の量子制御デバイス。
【請求項84】
前記基材、前記絶縁体層、および前記場反応性層は各空洞内に密閉空間を画成し、前記密閉空間は、対応する突起と前記絶縁体層の間に第１のクリアランス容積を備える、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項85】
前記密閉空間は、前記対応する突起の先端部と前記場反応性層の間に第２のクリアランス容積を備える、請求項８４に記載の量子制御デバイス。
【請求項86】
前記密閉空間は１０-5トール以下の真空圧を閉じ込めている、請求項８４に記載の量子制御デバイス。
【請求項87】
前記密閉空間は誘電体材料で少なくとも部分的に充填されている、請求項８４に記載の量子制御デバイス。
【請求項88】
少なくとも１つの標的領域は前記場反応性層の原子構造における侵入部を備える、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項89】
各標的領域は前記場反応性層の原子構造における侵入部を備え、前記侵入部は集合的に、前記標的領域のアレイと位置合わせされた侵入部のアレイを画成する、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項90】
少なくとも１つの標的領域は前記場反応性層の原子構造における置換部を備える、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項91】
各標的領域は前記場反応性層の原子構造における置換部を備え、前記置換部は集合的に、前記標的領域のアレイと位置合わせされた置換部のアレイを画成する、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項92】
少なくとも１つの標的領域は前記場反応性層の原子構造における空所を備える、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項93】
各標的領域は前記場反応性層の原子構造における空所を備え、前記空所は集合的に、前記標的領域のアレイと位置合わせされた空所のアレイを画成する、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項94】
少なくとも１つの標的領域は前記場反応性層の表面上の原子または分子を含む、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項95】
前記原子または分子は前記場反応性層の外側表面上に配設されている、請求項９４に記載の量子制御デバイス。
【請求項96】
前記原子または分子は前記場反応性層の内側表面上に配設されている、請求項９４に記載の量子制御デバイス。
【請求項97】
各標的領域は前記場反応性層の表面上の原子または分子を含み、前記原子または分子は集合的に、前記標的領域のアレイと位置合わせされた原子または分子のアレイを画成する、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項98】
前記場反応性層はグラフェンの層を備える、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項99】
電圧信号を受け取るように構成されている電気コンタクトを備える、前記基材の下にあるアドレッシング層を備え、各電気コンタクトは対応する突起と位置合わせされている、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項100】
各電気コンタクトは、その他の電気コンタクトから独立して、対応する電圧信号を前記基材に送達するように構成されており、前記基材は、対応する電場を生むために、前記対応する電圧信号を、前記電気コンタクトと位置合わせされた突起に伝達するように構成されている、請求項９９に記載の量子制御デバイス。
【請求項101】
各電気コンタクトは、その他の電気コンタクトから独立して前記基材から電気信号を受け取るように構成されており、前記電気信号は、前記電気コンタクトと位置合わせされた突起に近接した標的領域の量子状態を特徴付けるものであり、前記基材は、前記位置合わせされた突起から前記電気コンタクトへと前記電気信号を伝達するように構成されている、請求項９９に記載の量子制御デバイス。
【請求項102】
少なくとも１つの突起は突起のサブセットを備え、前記量子制御デバイスは、各々が対応する突起のサブセットと位置合わせされており前記対応する突起のサブセットに関する電圧信号を受け取るように構成されている複数の電気コンタクトを備える、前記基材の下にあるアドレッシング層を備える、
請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項103】
各電気コンタクトは、その他の電気コンタクトから独立して、対応する電圧信号を前記基材に送達するように構成されており、前記基材は、対応する電場を生むために、前記対応する電圧信号を、前記電気コンタクトと位置合わせされた突起のサブセットに伝達するように構成されている、請求項１０２に記載の量子制御デバイス。
【請求項104】
レーザ信号を前記標的領域のアレイへと導くように構成されているレーザ系と、前記レーザ信号に反応して前記標的領域のアレイから放射される電子を受け取るように構成されている電子分光計と、
を備える、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項105】
各々が対応する空洞の反対側に来るように位置合わせされておりかつ前記対応する空洞と関連付けられた突起へと光を案内するように構成されている、前記基材の下にある集光構造体のアレイを備える、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項106】
周期格子に沿って配置されている空孔を備える導電層を備え、前記周期格子は空孔によって占有されている第１の部位と空孔によって占有されていない第２の部位とを有し、前記第２の部位は前記空洞のアレイの反対側に来るように位置合わせされている、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項107】
前記導電層は前記基材の下にある、請求項１０６に記載の量子制御デバイス。
【請求項108】
前記導電層は前記場反応性層の上にある、請求項１０６に記載の量子制御デバイス。
【請求項109】
前記基材に形成されており前記基材から延在する個々の突起を隔離するように配置されている複数のトレンチを備える、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項110】
前記基材に形成されており前記基材から延在する突起のサブセットを隔離するように配置されている複数のトレンチを備え、各サブセットは単一の空洞と関連付けられている、請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項111】
前記絶縁体層、前記場反応性層、１つもしくは複数の空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路を備え、前記光導波路は少なくとも１つの標的領域と関連付けられており、前記少なくとも１つの標的領域の量子状態に結合する光子を伝播させるように構成されている、
請求項７４～８０のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項112】
量子制御方法であって、基材上の突起のアレイから１つまたは複数の電場を生成することであって、各電場は、前記基材から絶縁体層の対応する空洞内へと延在する１つまたは複数の突起によって生成され、前記対応する空洞は前記絶縁体層によって画成される空洞のアレイの一部であり、前記絶縁体層は前記基材の上かつ場反応性層の下に配設されている、生成することと、
前記場反応性層における対応する標的領域において前記１つまたは複数の電場を受けることであって、前記対応する標的領域は前記場反応性層における標的領域のアレイの一部であり、その各標的領域はある量子状態を有し、前記空洞のアレイにおける対応する空洞と位置合わせされている、受けることと、
第１の標的領域の第１の量子状態を少なくとも第２の標的領域の第２の量子状態と相互作用させるように、前記１つまたは複数の電場を制御することと、を含む、方法。
【請求項113】
前記１つまたは複数の電場を受けることは、前記対応する標的領域のうちの少なくとも１つについての量子状態の離散的エネルギー準位を確立することを含む、請求項１１２に記載の量子制御方法。
【請求項114】
前記対応する標的領域の全てが離散的エネルギー準位を有する量子状態を有する、請求項１１３に記載の量子制御方法。
【請求項115】
前記離散的エネルギー準位は電子エネルギー準位を含む、請求項１１３に記載の量子制御方法。
【請求項116】
前記離散的エネルギー準位は光子エネルギー準位を含む、請求項１１３に記載の量子制御方法。
【請求項117】
前記１つまたは複数の電場を制御することは、前記第１の標的領域の前記第１の量子状態と前記第２の標的領域の前記第２の量子状態との間の量子結合を変更することを含む、請求項１１２に記載の量子制御方法。
【請求項118】
前記第１の標的領域は前記第２の標的領域と隣り合っている、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項119】
隣り合う標的領域の間の距離は７００ｎｍ以下である、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項120】
前記突起のアレイの各突起は、空洞内で前記空洞と関連付けられる標的領域から１００ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項121】
前記突起のアレイの各突起は、空洞内で前記空洞と関連付けられる標的領域から２０ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項122】
前記突起のアレイの各突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項123】
前記突起のアレイの各突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項124】
少なくとも１つの標的領域は前記場反応性層の原子構造における侵入部を備える、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項125】
各標的領域は前記場反応性層の原子構造における侵入部を備え、前記侵入部は集合的に、前記標的領域のアレイと位置合わせされた侵入部のアレイを画成する、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項126】
少なくとも１つの標的領域は前記場反応性層の原子構造における置換部を備える、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項127】
各標的領域は前記場反応性層の原子構造における置換部を備え、前記置換部は集合的に、前記標的領域のアレイと位置合わせされた置換部のアレイを画成する、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項128】
少なくとも１つの標的領域は前記場反応性層の原子構造における空所を備える、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項129】
各標的領域は前記場反応性層の原子構造における空所を備え、前記空所は集合的に、前記標的領域のアレイと位置合わせされた空所のアレイを画成する、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項130】
少なくとも１つの標的領域は前記場反応性層の表面上の原子または分子を含む、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項131】
前記原子または分子は前記場反応性層の外側表面上に配設されている、請求項１３０に記載の量子制御方法。
【請求項132】
前記原子または分子は前記場反応性層の内側表面上に配設されている、請求項１３０に記載の量子制御方法。
【請求項133】
各標的領域は前記場反応性層の表面上の原子または分子を含み、前記原子または分子は集合的に、前記標的領域のアレイと位置合わせされた原子または分子のアレイを画成する、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項134】
前記絶縁体層、前記場反応性層、前記空洞のアレイのうちの空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路内で、光子を伝播させることと、前記光子を前記標的領域のアレイの少なくとも１つの標的領域の量子状態に結合することと、
を含む、請求項１１２～１１７のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本願は２０１９年３月８日出願の米国仮特許出願第６２／８１５，９７４号に対する優先権を主張し、当該出願の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
本願は２０１９年３月８日出願の米国仮特許出願第６２／８１５，９７４号に対する優先権を主張し、当該出願の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
以下の記載は、量子制御デバイス、および量子制御デバイスを動作させるための方法に関する。
【0003】
有用なデバイスを作り出すために材料に電場を印加する場合がある。例えば、電気エネルギーを貯蔵できるコンデンサを作り出すために、強誘電物質に電場を印加する場合がある。別の例では、物体を変位させることのできるアクチュエータを作り出すために、圧電物質に電場を印加する場合がある。現在のところ、電場は主として、物質の古典的特性に基づくデバイスにおいて使用されている。これらの古典的特性は、巨視的なスケールの（例えば、１０μｍよりも大きい）長さで現れる物質の特性をもたらし得る。しかしながら、電場が物質の量子特性と相互作用する能力によって、新しいタイプの有用なデバイスがもたらされる可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【0004】
【図1A】基材と突起とを有する例示の量子制御デバイスの概略図である。
【図2A】理論上の境界を有する例示の２００ｎｍグラフェンフレークに対する電場のシミュレーション上の影響を示す、４つの等高線図を提示する図である。
【図2B】理論上の境界を有する例示の２００ｎｍグラフェンフレークに対する電場および１２Ｔ磁場のシミュレーション上の影響を示す、４つの等高線図を提示する図である。
【図3A】基材上に配設された複数の突起を含む例示の量子制御デバイスの概略斜視図である。
【図4A】基材から絶縁体層の対応する空洞内へと延在して矩形のアレイを画成している複数の突起の、概略上面図である。
【図4B】基材から絶縁体層の対応する空洞内へと延在して六角形のアレイを画成している複数の突起の、概略上面図である。
【図4C】基材から絶縁体層の対応する空洞内へと延在して矩形のアレイを画成している複数の突起のサブセットの、概略上面図である。
【図5A】基材に回折パターンのアレイが形成されている例示の量子制御デバイスの概略断面図である。
【図6A】基材上にレンズのアレイが形成されている例示の量子制御デバイスの概略断面図である。
【図7A】複数の空孔を含む導電層を有する例示の量子制御デバイスの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0005】
ここに記載されている内容のいくつかの態様では、電場を使用して量子状態と相互作用する量子制御デバイスが提示される。特に、量子制御デバイスは、基材表面を有する基材を含み得る。絶縁体層が基材表面の上に配設され、空洞を画成する。絶縁体層は、空洞への開口部を画成する絶縁体表面を含む。量子制御デバイスはまた、絶縁体表面の上の場反応性層も含む。場反応性層は、空洞への開口部の上に定置される標的領域を含む。量子制御デバイスは、基材から空洞内へと延在し先端部で終端する突起を更に含む。突起は、標的領域の量子状態と相互作用する電場を生むように構成されている。先端部は空洞内に定置され、突起が生む電場を集中させるように構成されている。
【0006】
ここに記載されている内容のいくつかの態様では、量子制御デバイスは、基材と空洞のアレイを画成する絶縁体層とを含み得る。場反応性層は絶縁体層の上に配設されており、対応する空洞と各々位置合わせされている標的領域のアレイを含む。量子制御デバイスはまた、基材から対応する空洞内へと延在する突起も含み得る。突起は、［１］突起に近接した標的領域の量子状態と相互作用し、［２］標的領域の量子状態と隣り合う標的領域の量子状態との間の量子結合を制御する、電場を生むように構成されている。突起のアレイは、量子制御デバイスが各標的領域の量子状態を相関させ、このことにより１つまたは複数の集合的な量子状態を確立することを可能にし得る。
【0007】
ここで図１Ａを参照すると、基材１０２およびそこから延在する突起１０４を有する例示の量子制御デバイス１００の概略断面図が提示されている。図１Ａに示すように、基材１０２は、平面状の表面であり得る基材表面１０６を含む。基材１０２は、シリコン、ゲルマニウム、シリコン－ゲルマニウム合金、およびヒ化ガリウムなどの、半導体材料で形成され得る。しかしながら、他の材料（例えば、絶縁体または金属材料）が可能である。突起１０４は基材表面１０６から空洞１０８内へと延在しており、柱状の構造体を画成し得る。しかしながら、他の形状（例えば、角錐形、半球形、くさび形状、等）が可能である。突起１０４は、図１Ａに示すように基材１０２の一部であってもよく、または別法として、基材１０２に結合された別個の構造体であってもよい。突起１０４は基材１０２と同じ材料で形成されても、基材１０２とは異なる材料で形成されてもよい。例えば、突起１０４は、金属材料（例えば、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｕ、等）、半導体材料（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｉ－Ｇｅ合金、ＧａＮ、ＧａＡｓ、等）、炭素質材料（例えば、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、カーボンナノロッド、等）、またはセラミック材料（例えば、六方晶窒化ホウ素、金属酸化物、等）で形成され得る。他の材料が可能である。
【0008】
例示の量子制御デバイス１００は、基材表面１０６の上に配設され空洞１０８を画成する、絶縁体層１１０を含む。絶縁体層１１０は、空洞１０８への開口部１１４を画成する絶縁体表面１１２を含む。絶縁体表面１１２は平面状の表面であってもよく、また更に基材表面１０６と平行であってもよい。絶縁体層１１０は、図１Ａに示すように基材表面１０６と接触していてもよく、または別法として、１つもしくは複数の中間層を介して基材１０２に結合されてもよい。そのような中間層は、基材１０２への絶縁体層１１０の結合を改善し得る。
【0009】
いくつかの実装形態では、空洞１０８は、絶縁体層１１０を完全に貫通して配設される。これらの実装形態では、空洞１０８は、長手軸線と断面領域とによって画成され得る。長手軸線は、直線状、曲線状、またはこれらの何らかの組合せであってもよい。断面領域は、任意のタイプの外周（例えば、円、六角形、楕円形、平行四辺形、等）によって境界付けることができる。断面領域はまた、長手軸線に沿って一定のままであっても、絶縁体層１１０にわたる距離に伴って変化してもよい。例えば、空洞１０８は、直線状の長手軸線と半径が一定の円形の断面領域とによって画成される、円筒形の空洞であってもよい。別の例では、空洞１０８は、直線状の長手軸線と絶縁体表面１１２からの距離に伴ってサイズが小さくなる断面領域とによって画成される、円錐台形状を有し得る。空洞１０８の他の形状が可能である。
【0010】
いくつかの実装形態では、絶縁体層１１０は、１×１０8Ω・ｃｍ以上の電気抵抗率を有する材料で形成される。そのような材料の例としては、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ2Ｏ3）、酸化シリコン（例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＯx、等）、窒化シリコン（例えば、Ｓｉ3Ｎ4）、酸窒化ケイ素（例えば、ＳｉＯxＮy）、酸化ハフニウム（例えば、ＨｆＯ2）、窒化チタン（例えば、ＴｉＮ）、などが挙げられる。いくつかの実装形態では、材料は、室温で１×１０10Ω・ｃｍ以上の電気抵抗率を有する。いくつかの実装形態では、材料は、室温で１×１０12Ω・ｃｍ以上の電気抵抗率を有する。いくつかの実装形態では、材料は、室温で１×１０14Ω・ｃｍ以上の電気抵抗率を有する。
【0011】
例示の量子制御デバイス１００はまた、絶縁体表面１１２の上に配設されており標的領域１１８を含む、場反応性層１１６も含む。標的領域１１８は、空洞１０８への開口部１１４の上に定置され、開口部１１４の上で突起１０４に対向して中心に配置され得る。ただし、標的領域１１８の他の位置が可能である（例えば、中心から外れている、突起１０４からずらされている、等）。いくつかの場合には、場反応性層１１６はパターン化された層であり、２つ以上の材料で形成され得る。いくつかの場合には、場反応性層１１６は複数の層を含む。複数の層は、強磁性層、および反強磁性層、超電導層、またはこれらの任意の組合せを含み得る。他のタイプの層が可能である。また更に、複数の層は、他の層（例えば、強磁性層、反強磁性層、超電導層、等）同士の間にサンドイッチされた強磁性層、反強磁性層、および超電導層のうちの１つまたは複数を有する、サンドイッチ状の構造体を画成し得る。
【0012】
場反応性層１１６は、電場に反応して変化する、標的領域１１８と関連付けられた１つまたは複数の量子状態を有し得る。１つまたは複数の量子状態の例としては、電子バンド構造、電子スピン、核スピン、磁気秩序、磁気モーメント、強誘電秩序、強誘電モーメント、原子秩序、光遷移、フォノン分散、１つまたは複数の離散的エネルギー準位、などに基づくものが挙げられる。量子状態の重ね合わせおよび量子状態のもつれ合いに基づくものなどを含め、他のタイプの量子状態が可能である。
【0013】
標的領域１１８は、１つもしくは複数の量子状態が標的領域１１８内に現れるのを可能にする、１つもしくは複数の量子状態と電場の間の相互作用を高める、またはその両方である、反応性層１１６の原子構造の特徴を含み得る。原子構造は、２次元原子構造、３次元原子構造、非晶質原子構造、またはこれらの何らかの組合せであり得る。例えば、場反応性層１１６はグラフェンの層を含む場合があり、これは２次元原子構造に相当する。他の２次元原子構造の例としては、六方晶窒化ホウ素（例えば、ｈ－ＢＮ）の層、硫化モリブデン（例えば、ＭｏＳ2）の層、および硫化タングステン（例えば、ＷＳ2）の層が挙げられる。別の例では、場反応性層１１６は、場反応性層１１６の外側表面または内側表面上などに、ダイヤモンドで形成された３次元の島状部（ｉｓｌａｎｄ）を含み得る。３次元の島状部は、部分的にまたは全体が場反応性層内に埋め込まれ得る。更に別の例では、場反応性層１１６は、金属ガラス（例えば、金、銀、鉄とホウ素の非晶質合金）で形成されたナノ粒子を含み得る。金属ガラスは磁気モーメントを有し得る。
【0014】
いくつかの実装形態では、標的領域１１８は、場反応性層１１６の原子構造における侵入部（ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）を含む。侵入部は、原子（または原子団）が原子構造における格子間空間を占有する結果生じ得る。いくつかの実装形態では、標的領域は、場反応性層の原子構造における置換部（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）を含む。置換部は、原子構造における１つまたは複数の原子と他の原子との化学的置換または同位体置換の結果生じ得る。いくつかの実装形態では、標的領域１１８は、場反応性層１１６の原子構造における空所を含む。
【0015】
いくつかの実装形態では、標的領域１１８は、場反応性層１１６の表面上の原子または分子を含む。原子または分子は、複数の原子または分子を含んでもよく、したがって、個々の原子、原子のクラスター、化学官能基、ナノ粒子、１つまたは複数の分子、原子または分子の２次元の島状部、原子の規則的な配置に基づく積層ヘテロ構造、原子のパターン化された被覆層、などであり得る。原子または分子は、場反応性層１１６の外側表面上に配設され得る。原子または分子はまた、場反応性層１１６の内側表面上にも配設され得る。いくつかの場合には、場反応性層１１６の外側表面および内側表面の両方の上に、原子または分子が配設されている。
【0016】
例示の量子制御デバイス１００は、先端部１２０において終端する突起１０４を更に含む。いくつかの変形形態では、突起１０４の複数の実例が、基材１０２から空洞１０８内へと延在し得る（すなわち、複数の突起１０４）。突起１０４は、２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有し得る。いくつかの場合には、突起１０４は、２０：１～２００：１の範囲内の高さ対幅比を有し得る。突起１０４は、標的領域１１８の量子状態と相互作用する電場を生むように構成されている。先端部１２０は空洞１０８内に定置され、突起１０４が生む電場を集中させるように構成されている。いくつかの場合には、先端部１２０は、電場を標的領域１１８において少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。いくつかの場合には、先端部１２０は、電場を標的領域１１８において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。いくつかの場合には、先端部１２０は、電場を標的領域１１８において少なくとも１×１０10Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。いくつかの場合には、先端部１２０は、電場を標的領域１１８において少なくとも１×１０11Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。いくつかの場合には、先端部１２０は、電場を標的領域１１８において少なくとも１×１０12Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。
【0017】
電場の集中は、先端部１２０の形状および標的領域１１８に対する先端部１２０の配置によって助長され得る。例えば、先端部１２０は円錐形状を有してもよく、その細くなるテーパは、実質的に狭くなった表面から電場を発生させることを可能にする。先端部１２０はまた、電場を集中させるのを助けるテクスチャ化表面およびナノ粒子の一方または両方も含み得る。先端部１２０は、電場を集中させるのを助ける下位構造、例えば格子結合器を更に含み得る。別の例では、先端部１２０は、空洞１０８内で標的領域１１８から１００ｎｍ未満に定置され得る。そのような配置は、標的領域１１８が高電場（例えば、少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさ）を経験することを可能にし得る。いくつかの場合には、先端部１２０は、空洞１０８内で標的領域１１８から２０ｎｍ未満に定置される。いくつかの場合には、先端部１２０は、空洞１０８内で標的領域１１８から１５ｎｍ未満に定置される。いくつかの場合には、先端部１２０は、空洞１０８内で標的領域１１８から１０ｎｍ未満に定置される。いくつかの場合には、先端部１２０は、空洞１０８内で標的領域１１８から５ｎｍ未満に定置される。いくつかの場合には、先端部１２０は、空洞１０８内で標的領域１１８から１ｎｍ未満に定置される。
【0018】
いくつかの実装形態では、突起１０４は、高い電場（または強い印加電圧）下での電子放射に耐性のある材料で形成される。例えば、突起１０４は、少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成され得る。そのような材料の例としては、半導体材料（例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、およびＳｉ－Ｇｅ合金）、金属材料（例えば、Ｍｏ、Ｗ、およびＣｕ）、セラミック材料（例えば、ｈ－ＢＮ、ＷＯx、およびＭｏＯx）、ならびに炭素質材料（例えば、ダイヤモンド、カーボンナノチューブ、およびカーボンナノロッド）が挙げられる。いくつかの場合には、突起１０４は、少なくとも４．２ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの場合には、突起１０４は、少なくとも４．４ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの場合には、突起１０４は、少なくとも４．６ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの場合には、突起１０４は、少なくとも４．８ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの場合には、突起１０４は、少なくとも５．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。
【0019】
半導体材料で形成される場合、突起１０４は、突起１０４内にｐ型ドーパント、ｎ型ドーパント、または両方の空間分布を定めるドーピングプロファイルを含み得る。空間分布は、単純（例えば、均一な分布）であっても、複雑（例えば、突起１０４に沿って１つまたは複数のｐ－ｎ接合を確立する分布）であってもよい。いくつかの場合には、突起１０４は導電材料で形成される。導電材料は、室温で１００Ω・ｃｍ未満の電気抵抗率を有し得る。例えば、導電材料は、２～５０Ω・ｃｍの範囲内の室温電気抵抗率を有する、ドープシリコン材料であってもよい。また別の場合には、導電材料は、１×１０-1Ω・ｃｍ未満の電気抵抗率を有し得る。いくつかの変形形態では、突起１０４は、活性化させると（例えば、突起１０４に電圧が印加されると）導電性になる材料で形成される。材料は活性化させると１００Ω・ｃｍ未満の電気抵抗率へと移行する。いくつかの場合には、突起１０４はコーティングされた外面を含み得る。例えば、突起１０４は第１の材料（例えばＳｉ）で形成され、第１の材料よりも高い仕事関数を有する第２の材料（例えばＰｔ）でコーティングされてもよい。いくつかの変形形態では、第２の材料は超伝導材料であってもよい。
【0020】
いくつかの実装形態では、基材１０２、絶縁体層１１０、および場反応性層１１６は、空洞１０８内に密閉空間１２２を画成する（図１Ａにおける点線を参照されたい）。密閉空間１２２は、突起と絶縁体層の間に第１のクリアランス容積１２４を含む。第１のクリアランス容積１２４は、突起１０４の側部と空洞１０８の側壁の間の容積を含み得る。いくつかの場合には、密閉空間１２２はまた、突起１０４と場反応性層１１６の間に第２のクリアランス容積１２６も含み得る。第２のクリアランス容積１２６は、突起１０４の先端部１２０と場反応性層１１６の内側表面の間の容積を含み得る。密閉空間１２２は、突起１０４を絶縁体層１１０から電気的に隔離するように動作可能である。密閉空間１２２はまた、絶縁体層１１０が絶縁体層１１０の対応する空洞内において突起１０４を他の突起から電気的に隔離するのも補助し得る（例えば、量子制御デバイスが量子制御デバイスのアレイの一部である場合）。
【0021】
密閉空間１２２は、全部分を含め、その任意の部分内に真空を含み得る。いくつかの場合には、密閉空間１２２は１０-5トール以下の真空圧を閉じ込めている。いくつかの場合には、密閉空間１２２は１０-8トール以下の真空圧を閉じ込めている。密閉空間１２２はまた、誘電体材料で少なくとも部分的に充填され得る。そのような充填によって、密閉空間１２２を１つまたは複数の内部チャンバへと区切ること、または別法として、密閉空間１２２を完全に充填することができる。図１Ｂには、密閉空間１２２が誘電体材料によって完全に充填されている、図１Ａの例示の量子制御デバイス１００の概略図が提示されている。誘電体材料は、１～１０までの範囲の誘電率を有する材料であってもよい。いくつかの場合には、誘電体材料は１０よりも大きい誘電率を有する。いくつかの場合には、誘電体材料は１００よりも大きい誘電率を有する。誘電体材料はまた、０．０５Ｖ／ｎｍよりも大きい、および多くの変形形態では１Ｖ／ｎｍよりも大きい、絶縁耐力も有し得る。そのような材料の例としては、酸化シリコン（例えば、ＳｉＯ2）、窒化シリコン（例えば、Ｓｉ3Ｎ4）、窒化ホウ素（例えば、ｈーＢＮ）、およびダイヤモンドが挙げられる。いくつかの場合には、誘電体材料は、絶縁体層１１０と同じ材料で形成され得る。
【0022】
いくつかの実装形態では、絶縁体層１１０は、空洞１０８の少なくとも一部を画成する、突起１０４を取り囲む内側側壁１３４を含む。内側側壁１３４は、空洞１０８への開口部１１４において絶縁体表面１１２に接し得る。いくつかの場合には、内側側壁１３４は、間隙を作り出すように突起１０４から変位される（例えば、図１Ａ～図１Ｃを参照）。間隙は、突起１０４の第１のクリアランス容積１２４に寄与し得る。いくつかの場合には、内側側壁１３４は、突起１０４の表面の少なくとも一部に沿って突起１０４に接触し得る。そのような接触によって、突起１０４を絶縁体層１１０内に埋め込むことができる。
【0023】
更なる実装形態では、開口部１１４は空洞１０８の第１の開口部１１４であり、絶縁体表面１１２は絶縁体層１１０の第１の絶縁体表面１１２である。絶縁体層１１０は、基材表面１０６に結合されており第１の絶縁体表面１１２の反対側にある第２の絶縁体表面１３６を含む。そのような結合は、第２の絶縁体表面１３６と基材表面１０６の間の直接接触を含み得るか、または別法として、１つもしくは複数の中間層を介して行われ得る。１つまたは複数の中間層は、基材１０２への絶縁体層１１０の結合を改善し得る。いくつかの場合には、基材表面１０６、第１の絶縁体表面１１２、および第２の絶縁体表面１３６は、平面状の表面である。これらの実施形態では、内側側壁１３４は絶縁体層１１０の厚さの中に延在し、空洞１０８の第２の開口部１３８において第２の絶縁体表面１０６に接する。突起１０４は、基材１０２から空洞１０８の第２の開口部１３８を通って延在し、絶縁体層１１０の厚さ未満の基材１０２からの高さまで延在する。
【0024】
例示の量子制御デバイス１００は、突起１０４の基部１３２の反対側にある電気コンタクト１３０を含む、基材１０２の下にあるアドレッシング層１２８を含み得る。アドレッシング層１２８は、図１Ａに示すように基材１０２と接触していてもよく、または別法として、１つもしくは複数の中間層を介して基材１０２に結合されてもよい。そのような中間層は、基材１０２へのアドレッシング層１２８の結合を改善し得る。電気コンタクト１３０は、基材１０２に電圧を送達するように構成され得る。電気コンタクト１３０はまた、基材１０２から標的領域１１８の量子状態を表す電気信号を受け取るようにも構成され得る。この能力において、電気コンタクト１３０は、標的領域１１８の量子状態を特徴付けるために使用され得る。
【0025】
アドレッシング層１２８を有する実装形態では、基材１０２は、電場を生むために電圧を突起１０４に伝達する、および突起１０４からの電気信号を電気コンタクト１３０に伝達するように構成され得る。基材１０２の電圧ポテンシャルは、突起１０４の先端部１２０の電圧ポテンシャルから独立して制御され得る。そのような独立した制御は、アドレッシング層１２８および電気コンタクト１３０によって補助され得る。
【0026】
動作中、例示の量子制御デバイス１００は、基材１０２（または存在する場合の電気コンタクト１３０）と場反応性層１１６（またはその上の層）の間の電圧ポテンシャルを経験する。特に、基材１０２（または電気コンタクト１３０）に電圧を印加することができ、この電圧は次いで突起１０４へと伝達されて、電圧ポテンシャルを確立する。電圧は連続的に適用してもまたは電圧パルスを介して適用してもよい。電圧パルスは、１ミリ秒以下の持続時間を有し得る。いくつかの場合には、持続時間は１ピコ秒以下である。いくつかの場合には、持続時間は１００フェムト秒以下（例えば、１０～４０フェムト秒）である。
【0027】
電圧ポテンシャルを確立するために、電圧をレーザで補足してもよい。例えば、レーザは、標的領域１１８、突起１０４（もしくはそれらの複数の場合）、または両方によって受けられる、電磁放射のコヒーレントなビームを生成し得る。受けられると、電磁放射のコヒーレントなビームの電場成分は、突起１０４（またはそれらの複数の場合）と標的領域１１８の間の電圧ポテンシャルを変更する（例えば、電圧ポテンシャルを高める）ことができる。電圧ポテンシャルは、ある持続時間を有するパルスを含み得る。いくつかの場合には、パルスの持続時間は１ピコ秒以下である。いくつかの場合には、パルスの持続時間は１００フェムト秒以下（例えば、１０～４０フェムト秒）である。
【0028】
これに反応して電場が生成され、このとき電場は、突起１０４の先端部１２０から延びて標的領域１１８に浸透する。先端部１２０は部分的に、電場を高い大きさへと集中させるように機能し、その場合標的領域１１８は、少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさの電場を受けることができる。多くの場合において、大きさは１×１０9Ｖ／ｍよりも大きい。電場を受けると、標的領域１１８の１つまたは複数の量子状態が現れ得るか、またはその特徴（例えば、数、占有率、スピン、エネルギー、サイズ、空間分布、他の量子状態への結合、等）が変更され得る。このようにして、電圧ポテンシャルは、標的領域１１８の１つまたは複数の量子状態の操作を可能にすることができ、いくつかの場合には、場反応性層１１６の量子状態の操作を可能にし得る。
【0029】
電圧の大きさもしくは周波数の変更によって、または電圧パルスの印加によってなどの、電場の制御によって、１つまたは複数の量子状態との相互作用が可能になり得る。そのような相互作用は、標的領域１１８（または場反応性層１１６）の特性を変化させ、１つまたは複数の量子状態によって表される情報の保存および操作を可能にし得る。そのような特性の例としては、光学特性（例えば、光透過、光反射、光放射、偏光、位相、等）、磁気特性（例えば、磁気モーメント、磁気秩序、インダクタンス、等）、熱特性（例えば、比熱、熱伝導性、等）、電気特性（例えば、抵抗率、静電容量、等）、およびこれらの組合せ（例えば、光電子効果、磁気熱量効果、等）が挙げられる。他の特性が可能であり、そのような量子特性は２つ以上の量子状態の相関に基づく。
【0030】
いくつかの実装形態では、電場の制御は、標的領域１１８内に、複数の離散的エネルギー準位を各々有する１つまたは複数の量子状態をもたらし得る、静電ポテンシャル井戸を確立し得る。複数の離散的エネルギー準位は、電場によって、人工的な原子として機能するように標的領域１１８を誘導するべく操作され得る。この能力において、標的領域１１８は、エネルギー準位の対応する離散スペクトルにポピュレートする、離散的な数の電子を含み得る。したがって、標的領域１１８は、電場によって制御される有効核電荷を有する原子と類似して動作し得る。そのような動作は、標的領域１１８の表面上の、または別法として標的領域１１８内に埋め込まれた（例えば侵入部）、量子系によって、実現、制御、もしくは強化され得る。量子系としては、個々の原子、原子のクラスター、化学官能基、ナノ粒子、１つまたは複数の分子、原子または分子の２次元の島状部、原子の規則的な配置に基づく積層ヘテロ構造、原子のパターン化された被覆層、などを挙げることができる。いくつかの場合には、電場は、リュードベリ原子として動作するように標的領域１１８を誘導することができる。これらの場合には、標的領域１１８の電子のうちの１つまたは複数を高エネルギーへと励起して、高い主量子数を有する人工的な原子を作り出すことができる。
【0031】
いくつかの実装形態では、標的領域１１８の表面上の量子系を操作する（例えば、位置を制御する、秩序または配位を変更する、量子状態を変える、等）ために、電場の制御が使用され得る。量子系としては、個々の原子、原子のクラスター、化学官能基、ナノ粒子、１つまたは複数の分子、原子または分子の２次元の島状部、原子の規則的な配置に基づく積層ヘテロ構造、原子のパターン化された被覆層、などを挙げることができる。量子系は、各々が複数の離散的エネルギー準位を有する複数の量子状態を有し得る。また更に、標的領域１１８は、量子系と関連付けられたエネルギー準位の対応する離散スペクトルにポピュレートする、離散的な数の電子を含み得る。これらの場合には、標的領域１１８の電子のうちの１つまたは複数を高エネルギーへと励起して、高い主量子数を有する原子（または人工的な原子）を作り出すことができる。いくつかの場合には、量子系としては、リュードベリ原子（例えば、イオン化Ｃｓ原子）、リュードベリに似た状態を有する分子（例えば、Ｈ2、Ｐ2、Ｃｌ2、アセチレン、等といった等極二原子分子）、または、標的領域１１８の表面上のリュードベリに似た状態を有する物質が挙げられる。
【0032】
いくつかの実装形態では、場反応性層１１６は、図１Ｃに示すように、標的層１４０と中間層１４２とを備える複数の層を含む。標的層１３４は標的領域１１８を包含し、中間層１４２は絶縁体層１１０と標的層１４０の間に配設されている。中間層１４２の厚さ１４４は、突起１０４の先端部１２０と場反応性層１１６の標的領域１１８との間の距離１４６の一部である。距離１４６は１００ｎｍ未満であり得る。いくつかの場合には、距離１４６は、標的領域１１８から２０ｎｍ未満である。いくつかの場合には、距離１４６は、標的領域１１８から１５ｎｍ未満である。いくつかの場合には、距離１４６は、標的領域１１８から１０ｎｍ未満である。いくつかの場合には、距離１４６は、標的領域１１８から５ｎｍ未満である。いくつかの場合には、距離１４６は、標的領域１１８から１ｎｍ未満である。
【0033】
いくつかの実装形態では、絶縁体層１１０は、基材表面１０６の上にある第１の絶縁体層と、第１の絶縁体層と場反応性層１１６の間の第２の絶縁体層と、を含む。いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス１００は、場反応性層１１６の上にある第２の絶縁体層を含む。第２の絶縁体層は、空洞１０８の開口部１１４に対向する正孔（ｈｏｌｅ）を含み得る。更なる実装形態では、例示の量子制御デバイス１００は、第２の絶縁体層の上にある導電層を含む。第２の絶縁体層の正孔は、導電層を通って伝播し得る。
【0034】
例示の量子制御デバイス１００は、電場を生成するまたは生成を補助するために、突起１０４の光学的刺激を利用し得る。いくつかの実装形態では、基材表面１０６は第１の基材表面であり、基材１０２は、第１の基材表面の反対側にある第２の基材表面を含む。第１の基材表面、第２の基材表面、および絶縁体表面（または第１の絶縁体表面）は平面状の表面である。基材はまた、突起１０４の基部１３２の反対側にある、第２の基材表面上に形成された集光構造体も含む。集光構造体は、光を突起１０４へと案内するように構成されている。集光構造体の例としては、第２の基材上に形成された回折パターン、および基材表面上に形成されたレンズが挙げられる。これらの構造体は第２の基材表面によって画成され得るか、または別法として、第２の基材表面に結合された別体の構造体によって画成され得る。
【0035】
例示の量子制御デバイス１００はまた、突起１０４が電場を生成するのを補助するために、標的領域１１８の光学的刺激も利用し得る。いくつかの実装形態では、場反応性層１１６の標的領域１１８は、その上に配設されたナノ粒子を含む。ナノ粒子は、標的領域１１８に衝突する光線（例えば、レーザ光）と関連付けられる電場成分を強化するように作用可能であり得る。強化された電場成分によって、突起１０４によって生成される電場の大きさを大きくすることができる。ナノ粒子は、場反応性層１１６の内側表面または外側表面上に配設され得る。いくつかの場合には、標的領域１１８は、ナノ粒子と一緒に場反応性層１１６内に埋め込まれる。これらの場合には、ナノ粒子および標的領域１１８は、場反応性層１１６における侵入部を画成し得る。
【0036】
いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス１００は、光線を標的領域１１８上へと導くように構成されているレーザを含む。光線は、１つまたは複数のタイプのレーザビームを含み得る。光線はまた、１つまたは複数の周波数の電磁放射（例えば、紫外光の周波数）も含み得る。レーザは、光電子放出のプロセスによって、標的領域１１８から１つまたは複数の電子を放出するように作用可能であり得る。例示の量子制御デバイス１００はまた、光線を受けることに反応して標的領域１１８から放射された電子を受け取るように構成されている、電子分光計も含む。電子分光計は、電子の特徴（例えば、電子のエネルギー）を測定することによって、標的領域１１８の１つまたは複数の量子状態の特性を決定可能であり得る。更なる実装形態では、例示の量子制御デバイス１００は、光子の特性を測定することによって標的領域１１８の１つまたは複数の量子状態の特徴を決定するように構成されている、光学分光計を含み得る。
【0037】
いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス１００は、極低温環境において動作するように構成されている。例えば、例示の量子制御デバイス１００は、クライオスタット内に配設され得る。極低温環境は、約１２３Ｋ未満（例えば、７７Ｋ、４Ｋ、１Ｋ未満、等）の任意の温度を有し得る。いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス１００は、真空環境において動作するように構成されている。例えば、例示の量子制御デバイス１００は、１つまたは複数の真空ポンプ（例えば、回転ベーンポンプ、ターボ分子ポンプ、低温ポンプ、等）に連結された、密封可能な真空チャンバ内に配設され得る。真空環境は、１０-1トール未満（例えば、１０-3トール、１０-6トール、１０-9トール、等）の、気体の任意の分圧であり得る。いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス１００は、磁場（すなわち、
【0038】
【数1】
【0039】
図２Ａには、理論上の境界を有する例示の２００ｎｍグラフェンフレークに対する電場のシミュレーション上の影響を示す、４つの等高線図２００、２０２、２０４、２０６が提示されている。４つの等高線図は、Ｐｙｂｉｎｄｉｎｇライブラリを使用した例示の２００ｎｍグラフェンフレーク上の電場のコンピュータシミュレーションから生成される。等高線図２００から等高線図２０６へと順次増加する電場に反応する例示の２００ｎｍグラフェンフレークの状態密度が示されている。電場の大きさはβによって表されるが、これは、等高線図２００から等高線図２０２へと、等高線図２０４へと、および等高線図２０６へと移るにつれ、０．０からそれぞれ０．４へと、０．８へと、および１．２へと増加する。状態密度は図２Ａでは、各等高線図の等高線の基礎を成す、グレーの濃淡で表されている。図２Ａの右手のグレースケールの凡例によって、グレーの各濃淡が対応する状態密度の大きさと照合される。グレースケールの凡例における状態密度は、１０-3から１０-1ｅＶ-1・ｎｍ-2の範囲にわたる。
【0040】
各等高線図の横座標は、例示の２００ｎｍグラフェンフレークの中心（すなわち、ｒ＝０ｎｍ）からの距離をナノメートルで示す。例示の２００ｎｍグラフェンフレークは、場反応性層、例えば図１Ａ～図１Ｃに関連して記載されている場反応性層１１６を画成し得る。例示の２００ｎｍグラフェンフレークの、中心にあるまたは中心に直接隣接した部分もまた、図１Ａ～図１Ｃに関連して記載されている標的領域１１８などの標的領域を画成し得る。各等高線図の縦座標は、状態密度のエネルギーと関連付けることのできるエネルギー準位を、電子ボルト（ｅＶ）で示す。点線２０８は、電場の存在に反応する電子に関するバンドプロファイルを示す。非ゼロ電場（すなわち、β＞０）の場合、バンドプロファイルによって２００ｎｍグラフェンフレーク（またはその標的領域）の中心の周囲に静電ポテンシャル井戸が定まり得るが、このことについては後で等高線図２００、２０２、２０４、２０６に関連して説明する。
【0041】
等高線図２００が示すように、ｒ＝－３０ｎｍからｒ＝３０ｎｍまでの水平距離を移動するとき、β＝０における状態密度は一定である。低い状態密度（例えば、約１０-3ｅＶ-1・ｎｍ-2以下）を有するバンド間隔が、ｒ＝－３０ｎｍからｒ＝３０ｎｍまで、０ｅＶのエネルギー準位の両側に広がっている。等高線図２００では電場は存在せず（すなわち、β＝０）、点線２０８はほぼ０ｅＶのエネルギー準位に沿った水平線である。しかしながら、電場の存在（すなわち、β＞０）によってこのバンド間隔のプロファイルが変更し、静電ポテンシャル井戸を形成することができる。電場は１つまたは複数の発生源によって生成され得る。例えば、突起（またはその先端部）は、例示の２００ｎｍグラフェンフレークの中心に近接して定置され得る。突起（またはその先端部）に印加される電圧は、例示の２００ｎｍグラフェンフレークに対する電圧ポテンシャルを確立する。この電圧ポテンシャルによって、突起（またはその先端部）から例示の２００ｎｍグラフェンフレークの中心に向けて電場を発生させることができる。発生源の他の例としては、例示の２００ｎｍグラフェンフレークの原子構造における侵入部、例示の２００ｎｍグラフェンフレークの原子構造における置換部、例示の２００ｎｍグラフェンフレークの原子構造における空所、および例示の２００ｎｍグラフェンフレークの表面上の原子または分子が挙げられる。
【0042】
β＝０．４では、電場（または電圧）によって、バンド間隔のプロファイルが変更され、等高線図２０２によって示すような静電ポテンシャル井戸の形成が誘起される。電場によってまた、ほぼｒ＝０ｎｍにおける状態密度が高くなるが、これは０ｅＶ以上のエネルギー準位に集中している。ほぼｒ＝０ｎｍにおける状態密度は、局所的な状態密度に対応している。等高線図２０４が示すように、電場をβ＝０．８に高めると静電ポテンシャル井戸が広くなり、その湾曲が大きくなる。局所的な状態密度の大きさは高まり続け、０ｅＶ未満のエネルギー準位まで延びる。等高線図２０６が示すように、β＝１．２では、局所的な状態密度は、特に０ｅＶ未満のエネルギー準位において顕著な大きさに達している。電場（または電圧）は、静電ポテンシャル井戸の形成を誘起することおよび局所的な状態密度を高めることによって、１つまたは複数の電子を、例示の２００ｎｍグラフェンフレークの標的領域内に閉じ込めることのできることが、諒解されるであろう。そのような電子の局所化は、標的領域が、電場および磁場の一方または両方によって制御可能な量子状態を有することを可能にし得る。
【0043】
例えば、磁場の存在によって、局所的な状態密度を、１つまたは複数の量子状態を定めることのできる複数の離散的エネルギー準位（またはランダウ準位）へと分割させることができる。１つまたは複数の量子状態は、２００ｎｍグラフェンフレークの標的領域と関連付けることができる。図２Ｂには、理論上の境界を有する例示の２００ｎｍグラフェンフレーク上の電場および１２Ｔ磁場のシミュレーションされた影響を示す、４つの等高線図２１０、２１２、２１４、２１６が提示されている。４つの等高線図は、Ｐｙｂｉｎｄｉｎｇライブラリを使用した例示の２００ｎｍグラフェンフレーク上の電場および１２Ｔ磁場のコンピュータシミュレーションから生成される。等高線図２１０、２１２、２１４、２１６は図２Ａの等高線図２００、２０２、２０４、２０６と類似しているが、１２Ｔ磁場が更に存在する中で例示の２００ｎｍグラフェンフレークがシミュレーションされている点が異なる。β＝０の場合、ｒ＝－３０ｎｍからｒ＝３０ｎｍまでの水平距離を移動するときの状態密度はやはり一定である。ただし、１２Ｔ磁場の存在によって２つのバンド間隔が現れており、これは磁場のない場合にはただ１つしか存在しなかった（図２Ａの等高線図２００と比較されたい）。特に、第１のバンド間隔は０ｅＶ未満に存在し、第２のバンド間隔は０ｅＶ超に存在する。第１および第２のバンド間隔は、約１０-2ｅＶ-1・ｎｍ-2の状態密度を有する、ほぼ０ｅＶにある狭いバンド間隔によって分離されている。点線２０８は約０ｅＶのエネルギー準位に沿って水平であり、この狭いバンド間隔内に位置している。
【0044】
β＝０．４では、電場（または電圧）によって、第１のバンド間隔、第２のバンド間隔、および上記の狭いバンド間隔のプロファイルが変更され、等高線図２１２が示すような静電ポテンシャル井戸の形成が誘起される。電場によってまた、局所的な状態密度（すなわち、ほぼｒ＝０ｎｍにおける）の大きさが高くなるが、これは第２のバンド間隔を超えるエネルギー準位に集中している。電場をβ＝０．８まで高めることによって、上記の狭いバンド間隔が、等高線図２１４が示すように、第１のバンド間隔内の１つの部分および第２のバンド間隔内の１つの部分の２つの部分へと分割される。電場を高めることによりまた、静電ポテンシャル井戸が広くなり、その湾曲が大きくなる。局所的な状態密度の大きさは高まり続け、０ｅＶ未満のエネルギー準位まで延びる。また更に、局所的な状態密度は複数の離散的エネルギー準位２１８へと分割されるが、これはランダウ準位に相当し得る。複数の離散的エネルギー準位２１８は、１つまたは複数の量子状態を定め得る。電場を更にβ＝１．２まで強くすることによって、複数の離散的エネルギー準位２１８の更なる分割が引き起こされ得る。しかしながら、等高線図２１６が示すように、電場を強めると、特に０ｅＶ未満のエネルギー準位において、局所的な状態密度の大きさも高まる。局所的な状態密度を高めることによって、１つまたは複数の電子を、例示の２００ｎｍグラフェンフレークの標的領域に、ますます強く閉じ込めることが可能になり得る。
【0045】
等高線図２１０、２１２、２１４、および２１６が示すように、電場の制御によって、例示の２００ｎｍグラフェンフレークの標的領域内での電子の局所化が可能になる。しかし１２Ｔ磁場の存在に起因して、そのような制御によって、局所化された電子を複数の離散的エネルギー準位２１８にわたって分散させることも可能になる。電子および複数の離散的エネルギー準位２１８のそれぞれの量子状態を操作することのできる電場の大きさを変更することによって、電子、複数の離散的エネルギー準位２１８、または両方を操作することができる。そのような操作によって、標的領域（または例示の２００ｎｍグラフェンフレーク）の特性の生起または変更が可能になり得る。そのような操作によって、量子状態によって表される情報の保存および操作も可能になり得る。等高線図２１０、２１２、２１４、２１６は一定の磁場の文脈でのシミュレーションを提示しているが、電子および複数の離散的エネルギー準位２１８の一方または両方を操作するために、磁場の大きさを変更してもよい。
【0046】
ここで図１Ａ～図１Ｃを再び参照すると、いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス１００は、標的領域１１８と関連付けられた光導波路を含む。光導波路は、絶縁体層１１０（もしくはその一部）、場反応性層１１６（もしくはその一部）、空洞１０８（もしくはその一部）、またはこれらの任意の組合せによって画成され得る。いくつかの場合には、光導波路は、絶縁体層１１０の１つまたは複数の下位層、場反応性層１１６の１つまたは複数の下位層、あるいは両方を含み得る。光導波路は、絶縁体層１１０および場反応性層１１６の一方または両方の面内で光子を伝播させるように構成され得る。光導波路はまた、絶縁体層１１０または場反応性層１１６の面外で光子を伝播させるようにも構成され得る。例えば、光導波路は、突起１０４（または複数の突起）の長手軸線に沿った光子の反射を可能にする、空洞１０８と関連付けられた表面－例えば、端面、側壁表面など－を含み得る。
【0047】
光導波路は、中で光子を伝播させる（または共振させる）ための活性容積（ａｃｔｉｖｅ ｖｏｌｕｍｅ）を有し得る。これらの光子は、所望の離散的量子状態の性質および純度が最適化されるように、周波数によって形成され得るか、またはパルスによって形成され得る。光子は、マイクロ波波長、赤外波長、可視光波長、または紫外波長に相当する波長を有し得る。他の波長が可能である。動作中、活性容積内の光子は、光導波路と関連付けられた標的領域１１８の量子状態に結合し得る。光導波路はこの場合、標的領域１１８の量子状態を選択または制御するために使用され得る。光導波路はまた、標的領域１１８の新しい量子状態を誘起するためにも使用され得る。光子と量子状態の間の結合によって、量子状態のエネルギーを修正することができる。そのような結合はまた、その挙動が空洞量子電気力学によって支配される量子系も確立し得る。
【0048】
例示的な例によれば、図１Ａ～図１Ｃに関連して記載されている量子制御デバイス１００を動作させるために、量子制御方法が使用され得る。量子制御方法は、基材上の突起から電場を生成することを含む。突起は、基材の基材表面から絶縁体層によって画成される空洞内へと延在する。また更に、絶縁体層は基材表面の上に配設されており、空洞への開口部を画成する絶縁体表面を備える。量子制御方法はまた、場反応性層の標的領域において電場を受けることも含む。場反応性層は絶縁層の上に配設され、標的領域は空洞の開口部の上に定置される。量子制御方法は、場反応性層の標的領域の量子状態と相互作用するように電場を制御することを更に含む。いくつかの場合には、量子制御方法は、電場を生成している間に突起から場反応性層の標的領域へと電子を伝達しないことを含む。いくつかの場合には、量子制御方法は、電場を生成している間に突起から場反応性層の標的領域へと電子を伝達することを含む。
【0049】
いくつかの実装形態では、突起において電場を生成することは、突起の先端部を用いて電場を集中させることを含む。これらの実装形態では、標的領域において電場を受けることは、標的領域において集中させた電場を受けることを含む。集中させた電場は、少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさを有し得る。いくつかの場合には、集中させた電場は、少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさを有する。いくつかの場合には、集中させた電場は、少なくとも１×１０10Ｖ／ｍの大きさを有する。いくつかの場合には、集中させた電場は、少なくとも１×１０11Ｖ／ｍの大きさを有する。いくつかの場合には、集中させた電場は、少なくとも１×１０12Ｖ／ｍの大きさを有する。
【0050】
いくつかの実装形態では、突起から電場を生成することは、基材の下にあり突起の基部の反対側にある電気コンタクトに電圧を印加することを含む。突起から電場を生成することはまた、基材を通して突起へと電圧を伝達することも含む。いくつかの実装形態では、量子制御方法は、突起から、基材の下にあり突起の基部の反対側にある電気コンタクトへと電気信号を伝達することを含む。電気信号は、標的領域の量子状態を特徴付けるために使用され得る。
【0051】
いくつかの実装形態では、基材表面は第１の基材表面であり、基材は、第１の基材表面の反対側にある第２の基材表面を含む。これらの実装形態では、突起から電場を生成することは、突起の基部の反対側にある集光構造体において光線を受けることを含む。集光構造体は、第２の基材表面上に形成される。突起から電場を生成することはまた、集光構造体を用いて光を突起へと案内することも含む。
【0052】
いくつかの実装形態では、量子制御方法は、場反応性層の標的領域において光線を受けることを含む。例えば、光線を、場反応性層の金属表面上に配設されたナノ粒子によって受けることができる。ナノ粒子および金属表面は、場反応性層の標的領域における侵入部を画成し得る。別の例では、光線は、光電子放出のプロセスによって、標的領域から１つまたは複数の電子を放出することができる。更なる実装形態では、量子制御方法は、光線に反応して標的領域から放射された電子を電子分光計において受けることを含む。
【0053】
いくつかの実装形態では、量子状態と相互作用するように電場を制御することは、場反応性層の標的領域の量子状態を変更するために電場の大きさを変更することを含む。
【0054】
いくつかの実装形態では、先端部は、空洞内で標的領域から１００ｎｍ未満に定置される。いくつかの実装形態では、先端部は、空洞内で標的領域から２０ｎｍ未満に定置される。いくつかの実装形態では、先端部は、空洞内で標的領域から１５ｎｍ未満に定置される。いくつかの実装形態では、先端部は、空洞内で標的領域から１０ｎｍ未満に定置される。いくつかの実装形態では、先端部は、空洞内で標的領域から５ｎｍ未満に定置される。いくつかの実装形態では、先端部は、空洞内で標的領域から１ｎｍ未満に定置される。
【0055】
いくつかの実装形態では、突起は、少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起は、少なくとも４．２ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起は、少なくとも４．４ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起は、少なくとも４．６ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起は、少なくとも４．８ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起は、少なくとも５．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起は、２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する。いくつかの実装形態では、突起は、２０：１～２００：１の範囲内の高さ対幅比を有する。
【0056】
いくつかの実装形態では、標的領域は、場反応性層の原子構造における侵入部を含む。いくつかの実装形態では、標的領域は、場反応性層の原子構造における置換部を含む。いくつかの実装形態では、標的領域は、場反応性層の原子構造における空所を含む。いくつかの実装形態では、標的領域は、場反応性層の表面上の原子または分子を含む。原子または分子は、複数の原子または分子を含んでもよく、したがって、個々の原子、原子のクラスター、化学官能基、ナノ粒子、１つまたは複数の分子、原子または分子の２次元の島状部、原子の規則的な配置に基づく積層ヘテロ構造、原子のパターン化された被覆層、などであり得る。原子または分子は、場反応性層の外側表面上に配設され得る。原子または分子はまた、場反応性層の内側表面上にも配設され得る。いくつかの場合には、場反応性層の外側表面および内側表面の両方の上に、原子または分子が配設されている。
【0057】
ここで図３Ａを参照すると、基材３０４上に配設された複数の突起３０２を含む例示の量子制御デバイス３００の概略斜視図が提示されている。図３Ａでは、他の特徴が見えるように、例示の量子制御デバイス３００の特定の特徴が省略された部分がある。図３Ｂには、図３Ａの例示の量子制御デバイス３００の概略断面図が提示されている。図３Ａおよび図３Ｂにおける複数の突起のうちの１つまたは複数を、図１Ａ～図１Ｃに関連して記載した例示の量子制御デバイス１００の個々の実例と関連付けることができる。
【0058】
例示の量子制御デバイス３００は、基材３０４と、空洞３０８のアレイを画成する絶縁体層３０６とを含む。例示の量子制御デバイス３００はまた、絶縁体表面３０６の上に配設されており標的領域３１２のアレイを含む、場反応性層３１０も含む。図３Ａおよび図３Ｂでは、場反応性層３１０は２つの層を有するものとして描かれている。しかしながら、場反応性層３１０として他の数の層が可能である（例えば、１つ、５つ、等）。各標的領域３１２は、対応する空洞３０８と位置合わせされている。突起３０２は、基材３０４から対応する空洞３０８内へと延在し、各々が電場を生むように構成されている。電場は、突起に近接した標的領域の量子状態と相互作用し、標的領域の量子状態と隣り合う標的領域の量子状態との間の量子結合を制御する。
【0059】
多くの実装形態では、複数の突起３０２は２次元アレイを画成する。例えば、図４Ａに示すように、複数の突起４００は、基材４０２から延在して矩形のアレイ４０４を画成し得る。１つの突起４００は、絶縁体層４０８の対応する各空洞４０６と関連付けられる。別の例では、図４Ｂに示すように、複数の突起４２０は、基材４２２から延在して六角形のアレイ４２４を画成し得る。１つの突起４２０は、絶縁体層４２８の対応する各空洞４２６と関連付けられる。
【0060】
複数の突起３０２はまた、空洞３０８のアレイによって画成されるものとは異なる２次元アレイも画成し得る。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの突起３０２は、電場の一部を画成する対応する電場を各々生む突起３０２のサブセットを含む。例えば、図４Ｃに示すように、複数の突起サブセット４４０は、矩形のアレイ４４２を画成し得る。各突起サブセット４４０は、絶縁体層４４６の対応する空洞４４４と関連付けられ、基材４５０から対応する空洞４４４内へと延在する５つの突起４４８を有する。しかしながら、突起サブセット４４０ごとに突起の他の数および配置が可能である。また更に、突起サブセット４４０は、矩形のアレイ以外の２次元アレイを画成し得る。
【0061】
複数の突起３０２は規則的に並べられて、隣り合う標的領域３１２の間の距離を決定してもよい。いくつかの実装形態では、距離は１０μｍ以下であり得る。距離は、全ての隣り合う標的領域３１２について同じであり得る。例えば、隣り合う標的領域３１２の間の距離は、全ての隣り合う標的領域３１２について１０００ｎｍ以下であり得る。距離はまた、隣り合う標的領域３１２の部分によって異なっていてもよい。例えば、隣り合う標的領域３１２は、７００ｎｍ以下の距離を有する第１の部分と３００ｎｍ以下の距離を有する第２の部分とを含み得る。部分および距離の他の組合せが可能である。
【0062】
いくつかの場合には、隣り合う標的領域３１２の間の距離は１０００ｎｍ以下である。いくつかの場合には、隣り合う標的領域３１２の間の距離は９００ｎｍ以下である。いくつかの場合には、隣り合う標的領域３１２の間の距離は８００ｎｍ以下である。いくつかの場合には、隣り合う標的領域３１２の間の距離は７００ｎｍ以下である。いくつかの場合には、隣り合う標的領域３１２の間の距離は６００ｎｍ以下である。いくつかの場合には、隣り合う標的領域３１２の間の距離は５００ｎｍ以下である。いくつかの場合には、隣り合う標的領域３１２の間の距離は４００ｎｍ以下である。いくつかの場合には、隣り合う標的領域３１２の間の距離は３００ｎｍ以下である。いくつかの場合には、隣り合う標的領域３１２の間の距離は２００ｎｍ以下である。
【0063】
各突起３０２は、２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有し得る。いくつかの場合には、各突起３０２は、２０：１～２００：１の範囲内の高さ対幅比を有する。各突起３０２はまた、少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成され得る。いくつかの場合には、各突起３０２は、少なくとも４．２ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの場合には、各突起３０２は、少なくとも４．４ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの場合には、各突起３０２は、少なくとも４．６ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの場合には、各突起３０２は、少なくとも４．８ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの場合には、各突起３０２は、少なくとも５．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。
【0064】
各突起３０２はまた、対応する空洞３０８内に定置される先端部３１４において終端し得る。先端部３１４は、突起３０２に近接した標的領域３１２からある距離において終了し得る。多くの変形形態では、距離は、複数の突起３０２と関連付けられた全ての先端部３１４について同じである。いくつかの場合には、先端部３１４は、対応する空洞３０８内で近接した標的領域３１２から１００ｎｍ未満に定置される。いくつかの場合には、先端部３１４は、対応する空洞３０８内で近接した標的領域３１２から２０ｎｍ未満に定置される。いくつかの場合には、先端部３１４は、対応する空洞３０８内で近接した標的領域３１２から１５ｎｍ未満に定置される。いくつかの場合には、先端部３１４は、対応する空洞３０８内で近接した標的領域３１２から１０ｎｍ未満に定置される。いくつかの場合には、先端部３１４は、対応する空洞３０８内で近接した標的領域３１２から５ｎｍ未満に定置される。いくつかの場合には、先端部３１４は、対応する空洞３０８内で近接した標的領域３１２から１ｎｍ未満に定置される。
【0065】
いくつかの実装形態では、各突起３０２は、突起が生む電場を集中させるように構成されている先端部において終端する。先端部は、電場を突起に近接した標的領域において少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。いくつかの場合には、先端部は、電場を突起に近接した標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。いくつかの場合には、先端部は、電場を突起に近接した標的領域において少なくとも１×１０10Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。いくつかの場合には、先端部は、電場を突起に近接した標的領域において少なくとも１×１０11Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。いくつかの場合には、先端部は、電場を突起に近接した標的領域において少なくとも１×１０12Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている。
【0066】
いくつかの実装形態では、基材３０４、絶縁体層３０６、および場反応性層３１０は、各空洞３０８内に密閉空間を画成する。密閉空間は、対応する突起３０２と絶縁体層３０６の間に第１のクリアランス容積を含む。いくつかの変形形態では、密閉空間はまた、対応する突起３０２の先端部と場反応性層３１０の間に第２のクリアランス容積も含み得る。密閉空間は１０-5トール以下の真空圧を閉じ込めることができる。いくつかの場合には、密閉空間は１０-8トール以下の真空圧を閉じ込めている。いくつかの場合には、密閉空間は、誘電体材料で少なくとも部分的に充填される。
【0067】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの標的領域３１２は、場反応性層３１０の原子構造における侵入部を含む。いくつかの実装形態では、各標的領域３１２は、場反応性層３１０の原子構造における侵入部を含む。侵入部は集合的に、標的領域３１２のアレイと位置合わせされた侵入部のアレイを画成する。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの標的領域３１２は、場反応性層３１０の原子構造における置換部を含む。いくつかの実装形態では、各標的領域３１２は、場反応性層３１０の原子構造における置換部を含む。置換部は集合的に、標的領域３１２のアレイと位置合わせされた侵入部のアレイを画成する。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの標的領域３１２は、場反応性層３１０の原子構造における空所を含む。いくつかの実装形態では、各標的領域３１２は、場反応性層３１０の原子構造における空所を含む。空所は集合的に、標的領域３１２のアレイと位置合わせされた空所のアレイを画成する。
【0068】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの標的領域３１２は、場反応性層３１０の表面上の原子または分子を含む。原子または分子は、場反応性層３１０の外側表面上に配設され得る。原子または分子はまた、場反応性層３１０の内側表面上にも配設され得る。いくつかの場合には、場反応性層３１０の外側表面および内側表面の両方の上に、原子または分子が配設されている。いくつかの実装形態では、各標的領域３１２は、場反応性層３１０の表面上の原子または分子を含む。原子または分子は集合的に、標的領域３１２のアレイと位置合わせされた原子または分子のアレイを画成する。図２Ａおよび図２Ｂには、例示の量子制御デバイス３００が、場反応性層３１０の外側表面上に原子または分子３１６のアレイを有するものとして描かれている。特に、各標的領域３１２は、場反応性層３１０の外側表面上の原子または分子を含む。原子または分子としては、個々の原子、原子のクラスター、化学官能基、ナノ粒子、１つまたは複数の分子、原子または分子の２次元の島状部、原子の規則的な配置に基づく積層ヘテロ構造、原子のパターン化された被覆層、などを挙げることができる。
【0069】
いくつかの実装形態では、図３Ｂに示すように、例示の量子制御デバイス３００は、電圧信号を受け取るように構成されている電気コンタクト３２０を含む、基材３０４の下にあるアドレッシング層３１８を含む。各電気コンタクト３２０は、対応する突起３０２と位置合わせされている。いくつかの変形形態では、各電気コンタクト３２０は、その他の電気コンタクトから独立して、対応する電圧信号を基材３０４に送達するように構成されている。基材３０４は、対応する電場を生むために、対応する電圧信号を、電気コンタクト３２０と位置合わせされた突起に伝達するように構成されている。いくつかの変形形態では、各電気コンタクト３２０は、その他の電気コンタクトから独立して、基材３０４から電気信号を受け取るように構成されている。電気信号は、電気コンタクトと位置合わせされた突起に近接した標的領域の量子状態を特徴付けるために使用され得る。基材３０４は、位置合わせされた突起から電気コンタクトへと電気信号を伝達するように構成されている。
【0070】
いくつかの実装形態では、突起３０２は突起のサブセットを含み、例示の量子制御デバイス３００は、複数の電気コンタクト３２０を含む、基材３０４の下にあるアドレッシング層３１８を含む。各電気コンタクト３０２は対応する突起のサブセットと位置合わせされており、対応する突起のサブセットに関する電圧信号を受け取るように構成されている。いくつかの変形形態では、各電気コンタクト３２０は、その他の電気コンタクトから独立して、対応する電圧信号を基材３０４に送達するように構成されている。基材３０４は、対応する電場を生むために、対応する電圧信号を、電気コンタクトと位置合わせされた突起のサブセットに伝達するように構成されている。いくつかの変形形態では、各電気コンタクト３２０は、その他の電気コンタクトから独立して、基材３０４から電気信号を受け取るように構成されている。電気信号は、電気コンタクトと位置合わせされた突起に近接した標的領域の量子状態を特徴付けるために使用され得る。基材３０４は、位置合わせされた突起から電気コンタクトへと電気信号を伝達するように構成されている。
【0071】
動作中、例示の量子制御デバイス３００は、１つまたは複数の電気コンタクト３２０において電圧信号を受け取る。基材３０４は、静電電圧ポテンシャルであり得る電圧ポテンシャルを確立するための電圧信号を、１つまたは複数の対応する突起３０２（または突起のサブセット）へと伝達する。電圧ポテンシャルは、１つまたは複数の対応する突起３０２（または突起のサブセット）とそれらの対応する標的領域３１２との間に存在し得る。電圧信号は連続的に適用してもまたは電圧パルスを介して適用してもよい。電圧パルスは、１ミリ秒以下の持続時間を有し得る。いくつかの場合には、持続時間は１ピコ秒以下である。いくつかの場合には、持続時間は１００フェムト秒以下（例えば、１０～４０フェムト秒）である。
【0072】
電圧ポテンシャルを確立するために、１つまたは複数の電気コンタクトからの電圧信号を、レーザによって補足してもよい。例えば、レーザは、１つまたは複数の標的領域３１２、１つまたは複数の突起３０２（またはサブセットもしくは突起）、あるいは両方によって受けられる、電磁放射のコヒーレントなビームを生成し得る。受けられると、電磁放射のコヒーレントなビームの電場成分は、１つまたは複数の対応する突起３０２（またはそれらのサブセット）とそれらの対応する標的領域３１２との間の電圧ポテンシャルを変更する（例えば、電圧ポテンシャルを高める）ことができる。電圧ポテンシャルは、ある持続時間を有するパルスを含み得る。いくつかの場合には、パルスの持続時間は１ピコ秒以下である。いくつかの場合には、パルスの持続時間は１００フェムト秒以下（例えば、１０～４０フェムト秒）である。
【0073】
これに反応して、１つまたは複数の対応する突起３０２（または突起のサブセット）の各々によって電場が生成され、このとき、電場は、１つまたは複数の対応する突起３０２の対応する先端部３１４から延びて、対応する標的領域３１２に浸透する。先端部３１４は部分的に、電場を高い大きさへと集中させるのを補助し、その場合対応する標的領域３１２は、少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさを有する電場を受けることができる。多くの例では、大きさは１×１０9Ｖ／ｍよりも大きい。電場を受けると、各標的領域３１２と関連付けられる量子状態が現れ得るか、またはその特性（例えば、数、占有率、スピン、エネルギー、サイズ、空間分布、他の量子状態への結合、等）が変更され得る。例えば、１つまたは複数の電気コンタクト３２０が受け取る電圧信号を変えることによって、電場を変化させて、隣り合う標的領域の量子状態間の量子結合を制御することができる。
【0074】
動作中、電気コンタクト３２０はまた、対応する突起３０２から、対応する突起３０２に近接した各標的領域３１２の１つまたは複数の量子状態を特徴付けるために使用される電気信号を受け取ることができる。電気信号は、対応する突起３０２から基材３０４を通して伝達される。アドレッシング層３１８は、電気コンタクト３２０が、１つの標的領域３１２から、その他の標的領域３１２から独立して電気信号を受け取ることができるように構成されている。同様に、電気コンタクトはまた、ある標的領域３１２についての電場が他の標的領域３１２から独立して生成される（または変化する）ように、電圧を印加することができる。アドレッシング層３１８のそのような構成によって、例示の量子制御デバイス３００が標的領域３１８の任意の組合せの量子状態を操作すること、および、標的領域３１８の任意の組合せの間の量子結合を制御することが可能になる。
【0075】
いくつかの実装形態では、各標的領域３１２と関連付けられる量子状態は、離散的な局所化された量子状態である。これらの実装形態では、突起３０２の先端部３１４は、離散的な局所化された量子状態が重なり合うのに十分な近さに位置付けられ得る。突起３０２（または突起のサブセット）によって生成される電場のうちの１つまたは複数を変えることによって、重なり合いの程度を更に変更することができる。そのような重なり合いは、場反応性層における標的領域３１２のアレイによって維持される新しい集合的な量子状態を誘起し得る。この集合的な量子状態は、それ自体が１つまたは複数の離散的な状態を有してもよく、いくつかの場合にはバンド構造を有してもよい。突起３０２（または突起のサブセット）によって生成される電場は、先端部３１４とそれらの対応する標的領域３１２の間の静電電圧ポテンシャルを含んでもよく、これらの集合的な量子状態の特性を制御および修正するために使用され得る。
【0076】
いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス３００は、標的領域３１２のアレイの少なくとも１つの標的領域３１２と関連付けられる光導波路を含む。光導波路は、絶縁体層３０６（またはその一部）、場反応性層３１０（またはその一部）、１つもしくは複数の空洞３０８（またはその一部）、あるいはこれらの任意の組合せによって画成され得る。いくつかの場合には、光導波路は、絶縁体層３０６の１つもしくは複数の下位層、場反応性層３１０の１つもしくは複数の下位層、または両方を含み得る。光導波路は、絶縁体層３０６および場反応性層３１０の一方または両方の面内で光子を伝播させるように構成され得る。光導波路はまた、絶縁体層３０６または場反応性層３１０の面外で光子を伝播させるようにも構成され得る。例えば、光導波路は、突起３０２（または突起のサブセット）の長手軸線に沿った光子の反射を可能にする、空洞３０８と関連付けられた表面－例えば、端面、側壁表面など－を含み得る。
【0077】
光導波路は、中で光子を伝播させる（または共振させる）ための活性容積を有し得る。これらの光子は、所望の離散的量子状態の性質および純度が最適化されるように、周波数によって形成され得るか、またはパルスによって形成され得る。光子は、マイクロ波波長、赤外波長、可視光波長、または紫外波長に相当する波長を有し得る。他の波長が可能である。動作中、活性容積内の光子は、光導波路と関連付けられた少なくとも１つの標的領域３１２の量子状態に結合し得る。光導波路はこの場合、少なくとも１つの標的領域３１２の量子状態を選択または制御するために使用され得る。量子状態は単一の標的領域と関連付けることができる。複数の標的領域３１２が光導波路と関連付けられる場合、量子状態は２つ以上の標的領域と関連付けることができる。光導波路はまた、少なくとも１つの標的領域３１２の新しい量子状態を誘起するためにも使用され得る。新しい量子状態は単一の標的領域と関連付けることができる。複数の標的領域３１２が光導波路と関連付けられる場合、新しい量子状態は２つ以上の標的領域と関連付けることができる。光子と量子状態の間の結合によって、量子状態のエネルギーを修正することができる。そのような結合はまた、その挙動が空洞量子電気力学によって支配される量子系も確立し得る。
【0078】
例示の量子制御デバイス３００は、そのような量子系を複数含み得る。アドレッシング層３１８は、量子系が個々に操作されることを可能にし得るか、または量子系が下位グループ（例えば、隣り合うグループ）において操作されることを可能にし得る。複数の量子系を有する実装形態では、対応する光導波路は、量子制御デバイス３００全体にわたって標的領域３１２のアレイと相互作用するように動作する、複雑なフォトニック導波路として機能し得る。
【0079】
いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス３００は、レーザ信号を標的領域３１２のアレイへと導くように構成されているレーザ系を含む。レーザは、光電子放出のプロセスによって、１つまたは複数の標的領域３１２から１つまたは複数の電子を放出するように作用可能であり得る。例示の量子制御デバイス３００はまた、レーザ系に反応して標的領域３１２のアレイから放射された電子を受け取るように構成されている、電子分光計も含む。電子分光計は、各標的領域３１２から放射された対応する電子の特性（例えば、対応する電子のエネルギー）を測定することによって、それらと関連付けられた１つまたは複数の量子状態の特徴を決定可能であり得る。更なる実装形態では、例示の量子制御デバイス３００は、光子の特性を測定することによって各標的領域３１２と関連付けられた１つまたは複数の量子状態の特徴を決定するように構成されている、光学分光計を含み得る。
【0080】
例示の量子制御デバイス３００は、対応する電場を生成するまたは生成を補助するために、複数の突起３０２の光学的刺激を利用し得る。いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス３００は、各々が対応する空洞３０８の反対側に来るように位置合わせされておりかつ対応する空洞３０８と関連付けられた突起へと光を案内するように構成されている、基材の下にある集光構造体のアレイを含む。集光構造体は、回折パターン、レンズ、またはミラーを含み得る。他の集光構造体が可能である。
【0081】
例えば、図５Ａには、基材５０４に回折パターン５０２のアレイが形成されている、例示の量子制御デバイス５００の概略断面図が提示されている。図５Ｂには、図５Ａの例示の量子制御デバイス５００の概略底面図が提示されている。回折パターン５０２のアレイは、基材５０４から絶縁層５１０の対応する空洞５０８のアレイ内へと延在する突起５０６のアレイと位置合わせされる。別の例では、図６Ａには、基材６０４上にレンズ６０２のアレイが形成されている、例示の量子制御デバイス６００の概略断面図が提示されている。図６Ｂには、図６Ａの例示の量子制御デバイス６００の概略底面図が提示されている。レンズは基材６０４の一部であってもよく、または別法として、基材６０４に結合（例えば、基材６０４上にマイクロエレクトロニクス製造工程によって製作）されてもよい。レンズ６０２のアレイは、基材６０４から絶縁層６１０の対応する空洞６０８のアレイ内へと延在する突起６０６のアレイと位置合わせされる。
【0082】
例示の量子制御デバイス３００はまた、対応する電場を生成するまたは生成を補助するよう複数の突起３０２を誘導するために、光学的刺激によるプラズモン作用を使用し得る。いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス３００は、周期格子に沿って配置された空孔を備える導電層を含む。周期格子は、空孔によって占有される第１の部位、および空孔によって占有されない第２の部位を有する。第２の部位は空洞３０８のアレイの反対側に来るように位置合わせされており、いくつかの変形形態では、第２の部位は、空洞３０８のアレイにおける空洞のサブセットの反対側に来るように位置合わせされている。導電層は基材３０４の下にあってもよく、または別法として、場反応性層３１０の上にあってもよい。いくつかの変形形態では、基材３０４の下に第１の場合の導電層があってもよく、場反応性層３１０の下方にこれを覆って第２の場合導電層があってもよい。
【0083】
図７Ａには、複数の空孔７０４を含む導電層７００を有する例示の量子制御デバイス７００の概略断面図が提示されている。図７Ｂには、図７Ａの例示の量子制御デバイス７００の概略底面図が提示されている。導電層７０２は、例示の量子制御デバイス７００の基材７０６の下に配設される。複数の空孔７０４は、空孔が存在する第１の部位７０６と空孔が存在しない第２の部位７０８とを有する周期格子上に配置される。第２の部位７０８は、基材７０６から絶縁層７１４の対応する空洞７１２のアレイ内へと延在する突起７１０のアレイと位置合わせされる。動作中、導電層７０２によって光が受けられ、プラズモン作用を介した第２の部位７０８への電荷の移動が誘起される。第２の部位７０８における電荷の集中によって、基材７０６および対応する突起７１０を通して伝播しその後対応する突起７１０の先端部から現れる高電場が作り出される。高電場は、複数の突起７１０によって（例えば、印加電圧に反応して）生成される電場に追加されるものであってもよい。
【0084】
いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス３００は、基材３０４に形成されており、基材３０４から延在する個々の突起３０２を隔離するように配置されている、複数のトレンチを含む。そのような隔離は電気的な隔離であり得る。いくつかの実装形態では、基材３０４に複数のトレンチが形成され、基材３０４から延在する突起３０２のサブセットを隔離するように配置される。そのような隔離は電気的な隔離であり得る。突起３０２の各サブセットは、単一の空洞３０８と関連付けられる。
【0085】
本明細書に記載する量子制御デバイスは、各標的領域が２つの対向する突起から電場を受けるように構成され得る。そのような構成は、各標的領域が経験する電場の大きさを改善することができ、また、各標的領域内の（例えば面内での）電場の均一性を改善することもできる。図８には、図３Ａの例示の量子制御デバイスの２つの実例８００、８０２のものであって、これらの実例が互いに面して場反応性層８０４を共有している、概略図が提示されている。突起８０６、８０８の対向する対が、共有されている標的領域８１０によって各々受けられる対応する電場を生成するように位置合わせされる。
【0086】
いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス３００は、極低温環境において動作するように構成されている。例えば、例示の量子制御デバイス３００は、クライオスタット内に配設され得る。極低温環境は、約１２３Ｋ未満（例えば、７７Ｋ、４Ｋ、１Ｋ未満、等）の任意の温度を有し得る。いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス３００は、真空環境において動作するように構成されている。例えば、例示の量子制御デバイス３００は、１つまたは複数の真空ポンプ（例えば、回転ベーンポンプ、ターボ分子ポンプ、低温ポンプ、等）に連結された、密封可能な真空チャンバ内に配設され得る。真空環境は、１０-1トール未満（例えば、１０-3トール、１０-6トール、１０-9トール、等）の、気体の任意の分圧であり得る。いくつかの実装形態では、例示の量子制御デバイス３００は、磁場（すなわち、
【0087】
【数2】
【0088】
図３Ａ～図８に関連して記載されている量子制御デバイス３００を動作させるために、量子制御方法が使用され得る。量子制御方法は、基材上の突起のアレイから１つまたは複数の電場を生成することを含む。各電場は、基材から絶縁体層の対応する空洞内へと延在する１つまたは複数の突起によって生成される。対応する空洞は絶縁体層によって画成される空洞のアレイの一部であり、絶縁体層は基材の上かつ場反応性層の下に配設されている。
【0089】
量子制御方法はまた、場反応性層における対応する標的領域において１つまたは複数の電場を受けることも含む。対応する標的領域は場反応性層における標的領域のアレイの一部であり、その各標的領域はある量子状態を有し、空洞のアレイにおける対応する空洞と位置合わせされている。方法は、第１の標的領域の第１の量子状態を少なくとも第２の標的領域の第２の量子状態と相互作用させるように、１つまたは複数の電場を制御することを更に含む。
【0090】
いくつかの実装形態では、１つまたは複数の電場を生成することは、各電場と関連付けられた１つまたは複数の突起の対応する先端部を用いて、１つまたは複数の電場を集中させることを含む。これらの実装形態では、対応する標的領域において１つまたは複数の電場を受けることは、それらの集中後の対応する標的領域において、１つまたは複数の電場を受けることを含む。集中後の１つまたは複数の電場は各々、少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさを有し得る。いくつかの場合には、集中後の１つまたは複数の電場は各々、少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさを有し得る。いくつかの場合には、集中後の１つまたは複数の電場は各々、少なくとも１×１０10Ｖ／ｍの大きさを有し得る。いくつかの場合には、集中後の１つまたは複数の電場は各々、少なくとも１×１０11Ｖ／ｍの大きさを有し得る。いくつかの場合には、集中後の１つまたは複数の電場は各々、少なくとも１×１０12Ｖ／ｍの大きさを有し得る。
【0091】
いくつかの実装形態では、１つまたは複数の電場を受けることは、対応する標的領域のうちの少なくとも１つについての量子状態の離散的エネルギー準位を確立することを含む。いくつかの場合には、対応する標的領域の全てが離散的エネルギー準位を有する量子状態を有する。いくつかの場合には、離散的エネルギー準位は、電子エネルギー準位を含む。いくつかの場合には、離散的エネルギー準位は、光子エネルギー準位を含む。
【0092】
いくつかの実装形態では、１つまたは複数の電場を制御することは、第１の標的領域の第１の量子状態と第２の標的領域の第２の量子状態との間の量子結合を変更することを含む。いくつかの実装形態では、第１の標的領域は第２の標的領域と隣り合っている。いくつかの実装形態では、隣り合う標的領域の間の距離は７００ｎｍ以下である。
【0093】
いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から１００ｎｍ未満に定置される先端部において終端する。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から２０ｎｍ未満に定置される先端部において終端する。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から１５ｎｍ未満に定置される先端部において終端する。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から１０ｎｍ未満に定置される先端部において終端する。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から５ｎｍ未満に定置される先端部において終端する。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から１ｎｍ未満に定置される先端部において終端する。
【0094】
いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、少なくとも４．２ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、少なくとも４．４ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、少なくとも４．６ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、少なくとも４．８ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、少なくとも５．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成される。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する。いくつかの実装形態では、突起のアレイの各突起は、２０：１～２００：１の範囲内の高さ対幅比を有する。
【0095】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの標的領域は、場反応性層の原子構造における侵入部を含む。いくつかの実装形態では、各標的領域は、場反応性層の原子構造における侵入部を含む。これらの実装形態では、侵入部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた侵入部のアレイを画成する。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの標的領域は、場反応性層の原子構造における置換部を含む。いくつかの実装形態では、各標的領域は、場反応性層の原子構造における置換部を含む。これらの実装形態では、置換部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた置換部のアレイを画成する。いくつかの実装形態では、少なくとも１つの標的領域は、場反応性層の原子構造における空所を備える。いくつかの実装形態では、各標的領域は、場反応性層の原子構造における空所を備える。これらの実装形態では、空所は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた空所のアレイを画成する。
【0096】
いくつかの実装形態では、少なくとも１つの標的領域は、場反応性層の表面上の原子または分子を備える。原子または分子は、場反応性層の外側表面上に配設され得る。原子または分子はまた、場反応性層の内側表面上にも配設され得る。いくつかの場合には、場反応性層の外側表面および内側表面の両方の上に、原子または分子が配設されている。いくつかの実装形態では、各標的領域は、場反応性層の表面上の原子または分子を備える。これらの実装形態では、原子または分子は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた原子または分子のアレイを画成する。
【0097】
量子制御デバイスはまた、以下の例によって説明することもできる：
例１．基材表面を備える基材と、
基材表面の上にあり空洞を画成する絶縁体層であって、空洞への開口部を画成する絶縁体表面を備える、絶縁体層と、
絶縁体表面の上にあり空洞への開口部の上に定置される標的領域を備える、場反応性層と、
基材から空洞内へと延在し先端部において終端する突起であって、突起は標的領域の量子状態と相互作用する電場を生むように構成されており、先端部は空洞内に定置され、突起が生む電場を集中させるように構成されている、突起と、
を備える、量子制御デバイス。
例２．先端部は空洞内で標的領域から１００ｎｍ未満に定置される、例１に記載の量子制御デバイス。
例３．先端部は空洞内で標的領域から２０ｎｍ未満に定置される、例１に記載の量子制御デバイス。
例４．突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、例１または例２もしくは３に記載の量子制御デバイス。
例５．突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、例１または例２～４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例６．突起の先端部は、電場を標的領域において少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている、例１または例２～５のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例７．突起の先端部は、電場を標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている、例１または例２～５のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８．基材、絶縁体層、および場反応性層は空洞内に密閉空間を画成し、密閉空間は突起と絶縁体層の間に第１のクリアランス容積を備える、例１または例２～７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９．密閉空間は突起と場反応性層の間に第２のクリアランス容積を備える、例８に記載の量子制御デバイス。
例１０．密閉空間は１０-5トール以下の真空圧を閉じ込めている、例８または９に記載の量子制御デバイス。
例１１．密閉空間は誘電体材料で少なくとも部分的に充填されている、例８または例９もしくは１０に記載の量子制御デバイス。
例１２．基材表面および絶縁体表面は平面状の表面である、例１または例２～１１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１３．突起の先端部は円錐形状を有する、例１または例２～１２のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１４．突起の先端部はテクスチャ化表面を備える、例１または例２～１３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１５．突起の先端部はナノ粒子を備える、例１または例２～１４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１６．突起の先端部はコーティングされた外面を備える、例１または例２～１５のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１７．標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備える、例１または例２～１６のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１８．標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備える、例１または例２～１７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１９．標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備える、例１または例２～１８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例２０．標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含む、例１または例２～１９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例２１．原子または分子は場反応性層の外側表面上に配設されている、例２０に記載の量子制御デバイス。
例２２．原子または分子は場反応性層の内側表面上に配設されている、例２０に記載の量子制御デバイス。
例２３．場反応性層はパターン化された層である、例１または例２～２２のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
例２４．パターン化された層は２つ以上の材料で形成されている、例２３に記載の量子制御デバイス。
例２５．場反応性層は複数の層を備える、例１または例２～２２のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例２６．複数の層はパターン化された層を含む、例２５に記載の量子制御デバイス。
例２７．複数の層は、
標的領域を包含している標的層と、
絶縁体層と標的層の間に配設されている中間層と、を備え、
中間層の厚さは、突起の先端部と場反応性層の標的領域の間の距離の一部である、例２５または２６に記載の量子制御デバイス。
例２８．距離は１００ｎｍ未満である、例２７に記載の量子制御デバイス。
例２９．距離は２０ｎｍ未満である、例２７に記載の量子制御デバイス。
例３０．場反応性層はグラフェンの層を備える、例１または例２～２９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３１．各々が基材から空洞内へと延在し先端部で終端する、複数の突起を備える、例１または例２～３０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３２．基材と突起（または複数の突起）は異なる材料で形成されている、例１または例２～３１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３３．基材と突起（または複数の突起）は基材の一部である、例１または例２～３１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３４．絶縁体層は
基材表面の上にある第１の絶縁体層と、
第１の絶縁体層と場反応性層の間の第２の絶縁体層と、を備える、例１または例２～３３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３５．場反応性層の上にある第２の絶縁体層を備える、例１または例２～３４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３６．第２の絶縁体層は空洞の開口部に対向する正孔を備える、例３５に記載の量子制御デバイス。
例３７．第２の絶縁体層の上にある導電層を備える、例３５または３６に記載の量子制御デバイス。
例３８．突起の基部の反対側にある電気コンタクトを備える、基材の下にあるアドレッシング層を備える、例１または例２～３７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３９．電気コンタクトは基材に電圧を送達するように構成されており、基材は電場を生むために突起に電圧を伝達するように構成されている、例３８に記載の量子制御デバイス。
例４０．電気コンタクトは基材から電気信号を受け取るように構成されており、電気信号は標的領域の量子状態を特徴付けるものであり、基材は突起から電気コンタクトへと電気信号を伝達するように構成されている、例３８または３９に記載の量子制御デバイス。
例４１．絶縁体層は、空洞の少なくとも一部を画成する突起を取り囲む内側側壁を備える、例１または例２～４０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例４２．内側側壁は空洞への開口部において絶縁体表面に接している、例４１に記載の量子制御デバイス。
例４３．開口部は空洞の第１の開口部であり、絶縁体表面は絶縁体層の第１の絶縁体表面であり、
絶縁体層は、基材表面に結合されており第１の絶縁体表面の反対側にある第２の絶縁体表面を備え、
内側側壁は絶縁体層の厚さの中に延在し、空洞の第２の開口部において第２の絶縁体表面に接しており、
突起は基材から空洞の第２の開口部を通って延在し、
突起は基材から絶縁体層の厚さ未満の高さまで延在する、
例４１または例４２に記載の量子制御デバイス。
例４４．基材表面、第１の絶縁体表面、および第２の絶縁体表面は平面状の表面である、例４３に記載の量子制御デバイス。
例４５．基材表面は第１の基材表面であり、基材は、
第１の基材表面の反対側にある第２の基材表面と、
突起の基部の反対側にある第２の基材表面上に形成された集光構造体であって、突起へと光を案内するように構成されている、集光構造体と、を備える、
例１または例２～４４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例４６．集光構造体は第２の基材表面上に形成された回折パターンである、例４５に記載の量子制御デバイス。
例４７．集光構造体は第２の基材表面上に形成されたレンズである、例４５に記載の量子制御デバイス。
例４８．第１の基材表面、２の基材表面、および絶縁体表面は平面状の表面である、例４５に記載の量子制御デバイス。
例４９．標的領域上へと光線を導くように構成されているレーザと、
光線を受けることに反応して標的領域から放射される電子を受け取るように構成されている、電子分光計と、
を備える、例１または例２～４８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例５０．標的領域から光子を受け取るように構成されている光学分光計を備える、例４９に記載の量子制御デバイス。
例５１．絶縁体層、場反応性層、空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路を備え、
光導波路は、標的領域の量子状態に結合する光子を伝播させるように構成されている、
例１または例２～５０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１．基材表面を備える基材と、
基材表面の上にあり空洞を画成する絶縁体層であって、空洞への開口部を画成する絶縁体表面を備える、絶縁体層と、
絶縁体表面の上にあり空洞への開口部の上に定置される標的領域を備える、場反応性層と、
基材から空洞内へと延在し先端部において終端する突起であって、突起は標的領域の量子状態と相互作用する電場を生むように構成されており、先端部は空洞内に定置され、突起が生む電場を集中させるように構成されている、突起と、
を備える、量子制御デバイス。
例２．先端部は空洞内で標的領域から１００ｎｍ未満に定置される、例１に記載の量子制御デバイス。
例３．先端部は空洞内で標的領域から２０ｎｍ未満に定置される、例１に記載の量子制御デバイス。
例４．突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、例１または例２もしくは３に記載の量子制御デバイス。
例５．突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、例１または例２～４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例６．突起の先端部は、電場を標的領域において少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている、例１または例２～５のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例７．突起の先端部は、電場を標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている、例１または例２～５のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８．基材、絶縁体層、および場反応性層は空洞内に密閉空間を画成し、密閉空間は突起と絶縁体層の間に第１のクリアランス容積を備える、例１または例２～７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９．密閉空間は突起と場反応性層の間に第２のクリアランス容積を備える、例８に記載の量子制御デバイス。
例１０．密閉空間は１０-5トール以下の真空圧を閉じ込めている、例８または９に記載の量子制御デバイス。
例１１．密閉空間は誘電体材料で少なくとも部分的に充填されている、例８または例９もしくは１０に記載の量子制御デバイス。
例１２．基材表面および絶縁体表面は平面状の表面である、例１または例２～１１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１３．突起の先端部は円錐形状を有する、例１または例２～１２のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１４．突起の先端部はテクスチャ化表面を備える、例１または例２～１３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１５．突起の先端部はナノ粒子を備える、例１または例２～１４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１６．突起の先端部はコーティングされた外面を備える、例１または例２～１５のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１７．標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備える、例１または例２～１６のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１８．標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備える、例１または例２～１７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１９．標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備える、例１または例２～１８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例２０．標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含む、例１または例２～１９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例２１．原子または分子は場反応性層の外側表面上に配設されている、例２０に記載の量子制御デバイス。
例２２．原子または分子は場反応性層の内側表面上に配設されている、例２０に記載の量子制御デバイス。
例２３．場反応性層はパターン化された層である、例１または例２～２２のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
例２４．パターン化された層は２つ以上の材料で形成されている、例２３に記載の量子制御デバイス。
例２５．場反応性層は複数の層を備える、例１または例２～２２のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例２６．複数の層はパターン化された層を含む、例２５に記載の量子制御デバイス。
例２７．複数の層は、
標的領域を包含している標的層と、
絶縁体層と標的層の間に配設されている中間層と、を備え、
中間層の厚さは、突起の先端部と場反応性層の標的領域の間の距離の一部である、例２５または２６に記載の量子制御デバイス。
例２８．距離は１００ｎｍ未満である、例２７に記載の量子制御デバイス。
例２９．距離は２０ｎｍ未満である、例２７に記載の量子制御デバイス。
例３０．場反応性層はグラフェンの層を備える、例１または例２～２９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３１．各々が基材から空洞内へと延在し先端部で終端する、複数の突起を備える、例１または例２～３０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３２．基材と突起（または複数の突起）は異なる材料で形成されている、例１または例２～３１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３３．基材と突起（または複数の突起）は基材の一部である、例１または例２～３１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３４．絶縁体層は
基材表面の上にある第１の絶縁体層と、
第１の絶縁体層と場反応性層の間の第２の絶縁体層と、を備える、例１または例２～３３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３５．場反応性層の上にある第２の絶縁体層を備える、例１または例２～３４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３６．第２の絶縁体層は空洞の開口部に対向する正孔を備える、例３５に記載の量子制御デバイス。
例３７．第２の絶縁体層の上にある導電層を備える、例３５または３６に記載の量子制御デバイス。
例３８．突起の基部の反対側にある電気コンタクトを備える、基材の下にあるアドレッシング層を備える、例１または例２～３７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例３９．電気コンタクトは基材に電圧を送達するように構成されており、基材は電場を生むために突起に電圧を伝達するように構成されている、例３８に記載の量子制御デバイス。
例４０．電気コンタクトは基材から電気信号を受け取るように構成されており、電気信号は標的領域の量子状態を特徴付けるものであり、基材は突起から電気コンタクトへと電気信号を伝達するように構成されている、例３８または３９に記載の量子制御デバイス。
例４１．絶縁体層は、空洞の少なくとも一部を画成する突起を取り囲む内側側壁を備える、例１または例２～４０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例４２．内側側壁は空洞への開口部において絶縁体表面に接している、例４１に記載の量子制御デバイス。
例４３．開口部は空洞の第１の開口部であり、絶縁体表面は絶縁体層の第１の絶縁体表面であり、
絶縁体層は、基材表面に結合されており第１の絶縁体表面の反対側にある第２の絶縁体表面を備え、
内側側壁は絶縁体層の厚さの中に延在し、空洞の第２の開口部において第２の絶縁体表面に接しており、
突起は基材から空洞の第２の開口部を通って延在し、
突起は基材から絶縁体層の厚さ未満の高さまで延在する、
例４１または例４２に記載の量子制御デバイス。
例４４．基材表面、第１の絶縁体表面、および第２の絶縁体表面は平面状の表面である、例４３に記載の量子制御デバイス。
例４５．基材表面は第１の基材表面であり、基材は、
第１の基材表面の反対側にある第２の基材表面と、
突起の基部の反対側にある第２の基材表面上に形成された集光構造体であって、突起へと光を案内するように構成されている、集光構造体と、を備える、
例１または例２～４４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例４６．集光構造体は第２の基材表面上に形成された回折パターンである、例４５に記載の量子制御デバイス。
例４７．集光構造体は第２の基材表面上に形成されたレンズである、例４５に記載の量子制御デバイス。
例４８．第１の基材表面、２の基材表面、および絶縁体表面は平面状の表面である、例４５に記載の量子制御デバイス。
例４９．標的領域上へと光線を導くように構成されているレーザと、
光線を受けることに反応して標的領域から放射される電子を受け取るように構成されている、電子分光計と、
を備える、例１または例２～４８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例５０．標的領域から光子を受け取るように構成されている光学分光計を備える、例４９に記載の量子制御デバイス。
例５１．絶縁体層、場反応性層、空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路を備え、
光導波路は、標的領域の量子状態に結合する光子を伝播させるように構成されている、
例１または例２～５０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
【0098】
量子制御方法はまた、以下の例によって説明することもできる：
例５２．基材上の突起から電場を生成することであって、突起は、基材の基材表面から絶縁体層によって画成される空洞内へと延在し、絶縁体層は基材表面の上に配設されており、空洞への開口部を画成する絶縁体表面を備える、生成することと、
場反応性層の標的領域において電場を受けることであって、場反応性層は絶縁層の上に配設されており、標的領域は空洞の開口部の上に定置されている、受けることと、
場反応性層の標的領域の量子状態と相互作用するように電場を制御することと、
を含む、量子制御方法。
例５３．突起において電場を生成することは、突起の先端部を用いて電場を集中させることを含み、
標的領域において電場を受けることは、標的領域において集中させた電場を受けることを含む、
例５２に記載の量子制御方法。
例５４．集中させた電場は少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさを有する、例５３に記載の量子制御方法。
例５５．集中させた電場は標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさを有する、例５３に記載の量子制御方法。
例５６．突起から電場を生成することは、
基材の下にあり突起の基部の反対側にある電気コンタクトに電圧を印加することと、
電圧を基材を通して突起に伝達することと、を含む、
例５２または例５３～５５のいずれかに記載の量子制御方法。
例５７．突起から基材の下にあり突起の基部の反対側にある電気コンタクトへと電気信号を伝達することであって、電気信号は標的領域の量子状態を特徴付けるものである、伝達すること、
を含む、例５２または例５３～５６のいずれかに記載の量子制御方法。
例５８．基材表面は第１の基材表面であり、基材は第１の基材表面の反対側にある第２の基材表面を含み、
突起から電場を生成することは、
突起の基部の反対側にある集光構造体において光線を受けることであって、集光構造体は第２の基材表面上に形成されている、受けることと、
集光構造体を用いて突起へと光を案内することと、を含む、
例５２または例５３～５７のいずれかに記載の量子制御方法。
例５９．場反応性層の標的領域において光線を受けること
を含む、例５２または例５３～５８のいずれかに記載の量子制御方法。
例６０．光線に反応して標的領域から放射された電子を電子分光計において受けること
を含む、例５９に記載の量子制御方法。
例６１．量子状態と相互作用するように電場を制御することは、場反応性層の標的領域の量子状態を変更するために電場の大きさを変更することを含む、例５２または例５３～６０のいずれかに記載の量子制御方法。
例６２．電場を生成している間に、突起から場反応性層の標的領域へと電子を伝達すること
を含む、例５２または例５３～６１のいずれかに記載の量子制御方法。
例６３．先端部は空洞内で標的領域から１００ｎｍ未満に定置される、例５２または例５３～６２のいずれかに記載の量子制御方法。
例６４．先端部は空洞内で標的領域から２０ｎｍ未満に定置される、例５２または例５３～６２のいずれかに記載の量子制御方法。
例６５．突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、例５２または例５３～例６４のいずれかに記載の量子制御方法。
例６６．突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、例５２または例５３～６５のいずれかに記載の量子制御方法。
例６７．標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備える、例５２または例５３～６６のいずれかに記載の量子制御方法。
例６８．標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備える、例５２または例５３～６７のいずれかに記載の量子制御方法。
例６９．標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備える、例５２または例５３～６８のいずれかに記載の量子制御方法。
例７０．標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含む、例５２または例５３～６９のいずれかに記載の量子制御方法。
例７１．原子または分子は場反応性層の外側表面上に配設されている、例７０に記載の量子制御方法。
例７２．原子または分子は場反応性層の内側表面上に配設されている、例７０に記載の量子制御方法。
例７３．絶縁体層、場反応性層、空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路内で、光子を伝播させることと、
光子を標的領域の量子状態に結合することと、
を含む、例５２または例５３～７９のいずれかに記載の量子制御方法。
例５２．基材上の突起から電場を生成することであって、突起は、基材の基材表面から絶縁体層によって画成される空洞内へと延在し、絶縁体層は基材表面の上に配設されており、空洞への開口部を画成する絶縁体表面を備える、生成することと、
場反応性層の標的領域において電場を受けることであって、場反応性層は絶縁層の上に配設されており、標的領域は空洞の開口部の上に定置されている、受けることと、
場反応性層の標的領域の量子状態と相互作用するように電場を制御することと、
を含む、量子制御方法。
例５３．突起において電場を生成することは、突起の先端部を用いて電場を集中させることを含み、
標的領域において電場を受けることは、標的領域において集中させた電場を受けることを含む、
例５２に記載の量子制御方法。
例５４．集中させた電場は少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさを有する、例５３に記載の量子制御方法。
例５５．集中させた電場は標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさを有する、例５３に記載の量子制御方法。
例５６．突起から電場を生成することは、
基材の下にあり突起の基部の反対側にある電気コンタクトに電圧を印加することと、
電圧を基材を通して突起に伝達することと、を含む、
例５２または例５３～５５のいずれかに記載の量子制御方法。
例５７．突起から基材の下にあり突起の基部の反対側にある電気コンタクトへと電気信号を伝達することであって、電気信号は標的領域の量子状態を特徴付けるものである、伝達すること、
を含む、例５２または例５３～５６のいずれかに記載の量子制御方法。
例５８．基材表面は第１の基材表面であり、基材は第１の基材表面の反対側にある第２の基材表面を含み、
突起から電場を生成することは、
突起の基部の反対側にある集光構造体において光線を受けることであって、集光構造体は第２の基材表面上に形成されている、受けることと、
集光構造体を用いて突起へと光を案内することと、を含む、
例５２または例５３～５７のいずれかに記載の量子制御方法。
例５９．場反応性層の標的領域において光線を受けること
を含む、例５２または例５３～５８のいずれかに記載の量子制御方法。
例６０．光線に反応して標的領域から放射された電子を電子分光計において受けること
を含む、例５９に記載の量子制御方法。
例６１．量子状態と相互作用するように電場を制御することは、場反応性層の標的領域の量子状態を変更するために電場の大きさを変更することを含む、例５２または例５３～６０のいずれかに記載の量子制御方法。
例６２．電場を生成している間に、突起から場反応性層の標的領域へと電子を伝達すること
を含む、例５２または例５３～６１のいずれかに記載の量子制御方法。
例６３．先端部は空洞内で標的領域から１００ｎｍ未満に定置される、例５２または例５３～６２のいずれかに記載の量子制御方法。
例６４．先端部は空洞内で標的領域から２０ｎｍ未満に定置される、例５２または例５３～６２のいずれかに記載の量子制御方法。
例６５．突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、例５２または例５３～例６４のいずれかに記載の量子制御方法。
例６６．突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、例５２または例５３～６５のいずれかに記載の量子制御方法。
例６７．標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備える、例５２または例５３～６６のいずれかに記載の量子制御方法。
例６８．標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備える、例５２または例５３～６７のいずれかに記載の量子制御方法。
例６９．標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備える、例５２または例５３～６８のいずれかに記載の量子制御方法。
例７０．標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含む、例５２または例５３～６９のいずれかに記載の量子制御方法。
例７１．原子または分子は場反応性層の外側表面上に配設されている、例７０に記載の量子制御方法。
例７２．原子または分子は場反応性層の内側表面上に配設されている、例７０に記載の量子制御方法。
例７３．絶縁体層、場反応性層、空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路内で、光子を伝播させることと、
光子を標的領域の量子状態に結合することと、
を含む、例５２または例５３～７９のいずれかに記載の量子制御方法。
【0099】
突起のアレイを含む量子制御デバイスはまた、以下の例によって説明することもできる：
例７４．基材と、
空洞のアレイを画成する絶縁体層と、
対応する空洞と各々位置合わせされている標的領域のアレイを備える、絶縁体層の上にある場反応性層と、
基材から対応する空洞内へと延在する突起であって、各々が
突起に近接した標的領域の量子状態と相互作用し、
標的領域の量子状態と隣り合う標的領域の量子状態との間の量子結合を制御する、電場を生むように構成されている、突起と、
を備える、量子制御デバイス。
例７５．隣り合う標的領域の間の距離は７００ｎｍ以下である、例７４に記載の量子制御デバイス。
例７６．少なくとも１つの突起は、電場の一部を画成する対応する電場を各々生む突起のサブセットを備える、例７４または７５に記載の量子制御デバイス。
例７７．各突起は、対応する空洞内で近接した標的領域から１００ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、例７４または例７５もしくは７６に記載の量子制御デバイス。
例７８．各突起は、対応する空洞内で近接した標的領域から２０ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、例７４または例７５もしくは７６に記載の量子制御デバイス。
例７９．各突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、例７４または例７５～例７８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８０．各突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、例７４または例７５～７９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８１．各突起は、突起が生む電場を集中させるように構成されている先端部において終端する、例７４または例７５～８０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８２．先端部は、電場を突起に近接した標的領域において少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさまで集中させる、例８１に記載の量子制御デバイス。
例８３．先端部は、電場を突起に近接した標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさまで集中させる、例８１に記載の量子制御デバイス。
例８４．基材、絶縁体層、および場反応性層は各空洞内に密閉空間を画成し、密閉空間は、対応する突起と絶縁体層の間に第１のクリアランス容積を備える、例７４または例７５～８３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８５．密閉空間は、対応する突起の先端部と場反応性層の間に第２のクリアランス容積を備える、例８４に記載の量子制御デバイス。
例８６．密閉空間は１０-5トール以下の真空圧を閉じ込めている、例８４または８５に記載の量子制御デバイス。
例８７．密閉空間は誘電体材料で少なくとも部分的に充填されている、例８４または例８５もしくは８６に記載の量子制御デバイス。
例８８．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備える、例７４または例７５～８７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８９．各標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備え、侵入部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた侵入部のアレイを画成する、例７４または例７５～８７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９０．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備える、例７４または例７５～８９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９１．各標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備え、置換部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた置換部のアレイを画成する、例７４または例７５～８９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９２．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備える、例７４または例７５～９１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９３．各標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備え、空所は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた空所のアレイを画成する、例７４または例７５～９１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９４．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含む、例７４または例７５～９３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９５．原子または分子は場反応性層の外側表面上に配設されている、例９４に記載の量子制御デバイス。
例９６．原子または分子は場反応性層の内側表面上に配設されている、例９４に記載の量子制御デバイス。
例９７．各標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含み、原子または分子は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた原子または分子のアレイを画成する、例７４または例７５～９３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９８．場反応性層はグラフェンの層を備える、例７４または例７５～９７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９９．電圧信号を受け取るように構成されている電気コンタクトを備える、基材の下にあるアドレッシング層を備え、各電気コンタクトは対応する突起と位置合わせされている、
例７４または例７５～９８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１００．各電気コンタクトは、他の電気コンタクトから独立して対応する電圧信号を基材に送達するように構成されており、基材は、対応する電場を生むために、対応する電圧信号を、電気コンタクトと位置合わせされた突起に伝達するように構成されている、例９９に記載の量子制御デバイス。
例１０１．各電気コンタクトは、その他の電気コンタクトから独立して基材から電気信号を受け取るように構成されており、電気信号は、電気コンタクトと位置合わせされた突起に近接した標的領域の量子状態を特徴付けるものであり、基材は、位置合わせされた突起から電気コンタクトへと電気信号を伝達するように構成されている、例９９または９８に記載の量子制御デバイス。
例１０２．少なくとも１つの突起は突起のサブセット（または例７６の突起のサブセット）を備え、
量子制御デバイスは、各々が対応する突起のサブセットと位置合わせされており対応する突起のサブセットに関する電圧信号を受け取るように構成されている複数の電気コンタクトを備える、基材の下にあるアドレッシング層を備える、
例７４または例７５～１０１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１０３．各電気コンタクトは、その他の電気コンタクトから独立して、対応する電圧信号を基材に送達するように構成されており、基材は、対応する電場（または例７６の対応する電場）を生むために、対応する電圧信号を、電気コンタクトと位置合わせされた突起のサブセットに伝達するように構成されている、例１０２に記載の量子制御デバイス。
例１０４．
レーザ信号を標的領域のアレイへと導くように構成されているレーザ系と、
レーザ信号に反応して標的領域のアレイから放射される電子を受け取るように構成されている電子分光計と、
を備える、例７４または例７５～１０３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１０５．各々が対応する空洞の反対側に来るように位置合わせされておりかつ対応する空洞と関連付けられた突起へと光を案内するように構成されている、基材の下にある集光構造体のアレイ
を備える、例７４または例７５～１０４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１０６．周期格子に沿って配置されている空孔を備える導電層を備え、周期格子は空孔によって占有されている第１の部位と空孔によって占有されていない第２の部位とを有し、第２の部位は空洞のアレイの反対側に来るように位置合わせされている、
例７４または例７５～１０５のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１０７．導電層は基材の下にある、例１０６に記載の量子制御デバイス。
例１０８．導電層は場反応性層の上にある、例１０６に記載の量子制御デバイス。
例１０９．基材に形成されており基材から延在する個々の突起を隔離するように配置されている複数のトレンチを備える、例７４または例７５～１０８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１１０．基材に形成されており基材から延在する突起のサブセット（または例７６もしくは１０２の突起のサブセット）を隔離するように配置されている複数のトレンチを備え、各サブセットは単一の空洞と関連付けられている、例７４または例７５～１０８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１１１．絶縁体層、場反応性層、１つもしくは複数の空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路を備え、
光導波路は少なくとも１つの標的領域と関連付けられており、少なくとも１つの標的領域の量子状態に結合する光子を伝播させるように構成されている、
例７４または例７５～１１０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例７４．基材と、
空洞のアレイを画成する絶縁体層と、
対応する空洞と各々位置合わせされている標的領域のアレイを備える、絶縁体層の上にある場反応性層と、
基材から対応する空洞内へと延在する突起であって、各々が
突起に近接した標的領域の量子状態と相互作用し、
標的領域の量子状態と隣り合う標的領域の量子状態との間の量子結合を制御する、電場を生むように構成されている、突起と、
を備える、量子制御デバイス。
例７５．隣り合う標的領域の間の距離は７００ｎｍ以下である、例７４に記載の量子制御デバイス。
例７６．少なくとも１つの突起は、電場の一部を画成する対応する電場を各々生む突起のサブセットを備える、例７４または７５に記載の量子制御デバイス。
例７７．各突起は、対応する空洞内で近接した標的領域から１００ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、例７４または例７５もしくは７６に記載の量子制御デバイス。
例７８．各突起は、対応する空洞内で近接した標的領域から２０ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、例７４または例７５もしくは７６に記載の量子制御デバイス。
例７９．各突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、例７４または例７５～例７８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８０．各突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、例７４または例７５～７９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８１．各突起は、突起が生む電場を集中させるように構成されている先端部において終端する、例７４または例７５～８０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８２．先端部は、電場を突起に近接した標的領域において少なくとも１×１０5Ｖ／ｍの大きさまで集中させる、例８１に記載の量子制御デバイス。
例８３．先端部は、電場を突起に近接した標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさまで集中させる、例８１に記載の量子制御デバイス。
例８４．基材、絶縁体層、および場反応性層は各空洞内に密閉空間を画成し、密閉空間は、対応する突起と絶縁体層の間に第１のクリアランス容積を備える、例７４または例７５～８３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８５．密閉空間は、対応する突起の先端部と場反応性層の間に第２のクリアランス容積を備える、例８４に記載の量子制御デバイス。
例８６．密閉空間は１０-5トール以下の真空圧を閉じ込めている、例８４または８５に記載の量子制御デバイス。
例８７．密閉空間は誘電体材料で少なくとも部分的に充填されている、例８４または例８５もしくは８６に記載の量子制御デバイス。
例８８．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備える、例７４または例７５～８７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例８９．各標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備え、侵入部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた侵入部のアレイを画成する、例７４または例７５～８７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９０．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備える、例７４または例７５～８９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９１．各標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備え、置換部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた置換部のアレイを画成する、例７４または例７５～８９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９２．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備える、例７４または例７５～９１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９３．各標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備え、空所は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた空所のアレイを画成する、例７４または例７５～９１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９４．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含む、例７４または例７５～９３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９５．原子または分子は場反応性層の外側表面上に配設されている、例９４に記載の量子制御デバイス。
例９６．原子または分子は場反応性層の内側表面上に配設されている、例９４に記載の量子制御デバイス。
例９７．各標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含み、原子または分子は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた原子または分子のアレイを画成する、例７４または例７５～９３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９８．場反応性層はグラフェンの層を備える、例７４または例７５～９７のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例９９．電圧信号を受け取るように構成されている電気コンタクトを備える、基材の下にあるアドレッシング層を備え、各電気コンタクトは対応する突起と位置合わせされている、
例７４または例７５～９８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１００．各電気コンタクトは、他の電気コンタクトから独立して対応する電圧信号を基材に送達するように構成されており、基材は、対応する電場を生むために、対応する電圧信号を、電気コンタクトと位置合わせされた突起に伝達するように構成されている、例９９に記載の量子制御デバイス。
例１０１．各電気コンタクトは、その他の電気コンタクトから独立して基材から電気信号を受け取るように構成されており、電気信号は、電気コンタクトと位置合わせされた突起に近接した標的領域の量子状態を特徴付けるものであり、基材は、位置合わせされた突起から電気コンタクトへと電気信号を伝達するように構成されている、例９９または９８に記載の量子制御デバイス。
例１０２．少なくとも１つの突起は突起のサブセット（または例７６の突起のサブセット）を備え、
量子制御デバイスは、各々が対応する突起のサブセットと位置合わせされており対応する突起のサブセットに関する電圧信号を受け取るように構成されている複数の電気コンタクトを備える、基材の下にあるアドレッシング層を備える、
例７４または例７５～１０１のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１０３．各電気コンタクトは、その他の電気コンタクトから独立して、対応する電圧信号を基材に送達するように構成されており、基材は、対応する電場（または例７６の対応する電場）を生むために、対応する電圧信号を、電気コンタクトと位置合わせされた突起のサブセットに伝達するように構成されている、例１０２に記載の量子制御デバイス。
例１０４．
レーザ信号を標的領域のアレイへと導くように構成されているレーザ系と、
レーザ信号に反応して標的領域のアレイから放射される電子を受け取るように構成されている電子分光計と、
を備える、例７４または例７５～１０３のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１０５．各々が対応する空洞の反対側に来るように位置合わせされておりかつ対応する空洞と関連付けられた突起へと光を案内するように構成されている、基材の下にある集光構造体のアレイ
を備える、例７４または例７５～１０４のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１０６．周期格子に沿って配置されている空孔を備える導電層を備え、周期格子は空孔によって占有されている第１の部位と空孔によって占有されていない第２の部位とを有し、第２の部位は空洞のアレイの反対側に来るように位置合わせされている、
例７４または例７５～１０５のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１０７．導電層は基材の下にある、例１０６に記載の量子制御デバイス。
例１０８．導電層は場反応性層の上にある、例１０６に記載の量子制御デバイス。
例１０９．基材に形成されており基材から延在する個々の突起を隔離するように配置されている複数のトレンチを備える、例７４または例７５～１０８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１１０．基材に形成されており基材から延在する突起のサブセット（または例７６もしくは１０２の突起のサブセット）を隔離するように配置されている複数のトレンチを備え、各サブセットは単一の空洞と関連付けられている、例７４または例７５～１０８のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１１１．絶縁体層、場反応性層、１つもしくは複数の空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路を備え、
光導波路は少なくとも１つの標的領域と関連付けられており、少なくとも１つの標的領域の量子状態に結合する光子を伝播させるように構成されている、
例７４または例７５～１１０のいずれかに記載の量子制御デバイス。
【0100】
突起のアレイに基づく量子制御方法はまた、以下の例によって説明することもできる：
例１１２．量子制御方法であって、
基材上の突起のアレイから１つまたは複数の電場を生成することであって、各電場は、基材から絶縁体層の対応する空洞内へと延在する１つまたは複数の突起によって生成され、対応する空洞は絶縁体層によって画成される空洞のアレイの一部であり、絶縁体層は基材の上かつ場反応性層の下に配設されている、生成することと、
場反応性層における対応する標的領域において１つまたは複数の電場を受けることであって、対応する標的領域は場反応性層における標的領域のアレイの一部であり、その各標的領域はある量子状態を有し、空洞のアレイにおける対応する空洞と位置合わせされている、受けることと、
第１の標的領域の第１の量子状態を少なくとも第２の標的領域の第２の量子状態と相互作用させるように、１つまたは複数の電場を制御することと、を含む、方法。
例１１３．１つまたは複数の電場を受けることは、対応する標的領域のうちの少なくとも１つについての量子状態の離散的エネルギー準位を確立することを含む、例１１２に記載の量子制御方法。
例１１４．対応する標的領域の全てが離散的エネルギー準位を有する量子状態を有する、例１１３に記載の量子制御方法。
例１１５．離散的エネルギー準位は電子エネルギー準位を含む、例１１３または１１４に記載の量子制御方法。
例１１６．離散的エネルギー準位は光子エネルギー準位を含む、例１１３または例１１４もしくは１１５に記載の量子制御方法。
例１１７．１つまたは複数の電場を制御することは、第１の標的領域の第１の量子状態と第２の標的領域の第２の量子状態との間の量子結合を変更することを含む、例１１２に記載の量子制御方法。
例１１８．第１の標的領域は第２の標的領域と隣り合っている、例１１２または例１１３～１１７のいずれかに記載の量子制御方法。
例１１９．隣り合う標的領域の間の距離は７００ｎｍ以下である、例１１２または例１１３～１１８のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２０．突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から１００ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、例１１２または例１１３～１１９のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２１．突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から２０ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、例１１２または例１１３～１１９のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２２．突起のアレイの各突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、例１１２または例１１３～１２１のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２３．突起のアレイの各突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、例１１２または例１１３～１２２のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２４．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備える、例１１２または例１１３～１２３のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２５．各標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備え、侵入部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた侵入部のアレイを画成する、例１１２または例１１３～１２３のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２６．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備える、例１１２または例１１３～１２５のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２７．各標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備え、置換部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた置換部のアレイを画成する、例１１２または例１１３～１２５のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２８．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備える、例１１２または例１１３～１２７のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２９．各標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備え、空所は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた空所のアレイを画成する、例１１２または例１１３～１２７のいずれかに記載の量子制御方法。
例１３０．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含む、例１１２または例１１３～１２９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１３１．原子または分子は場反応性層の外側表面上に配設されている、例１３０に記載の量子制御方法。
例１３２．原子または分子は場反応性層の内側表面上に配設されている、例１３０に記載の量子制御方法。
例１３３．各標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含み、原子または分子は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた原子または分子のアレイを画成する、例１１２または例１１３～１３０のいずれかに記載の量子制御方法。
例１３４．絶縁体層、場反応性層、空洞のアレイのうちの空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路内で、光子を伝播させることと、
光子を標的領域のアレイの少なくとも１つの標的領域の量子状態に結合することと、
を含む、例１１２または例１１３～１３３のいずれかに記載の量子制御方法。
例１１２．量子制御方法であって、
基材上の突起のアレイから１つまたは複数の電場を生成することであって、各電場は、基材から絶縁体層の対応する空洞内へと延在する１つまたは複数の突起によって生成され、対応する空洞は絶縁体層によって画成される空洞のアレイの一部であり、絶縁体層は基材の上かつ場反応性層の下に配設されている、生成することと、
場反応性層における対応する標的領域において１つまたは複数の電場を受けることであって、対応する標的領域は場反応性層における標的領域のアレイの一部であり、その各標的領域はある量子状態を有し、空洞のアレイにおける対応する空洞と位置合わせされている、受けることと、
第１の標的領域の第１の量子状態を少なくとも第２の標的領域の第２の量子状態と相互作用させるように、１つまたは複数の電場を制御することと、を含む、方法。
例１１３．１つまたは複数の電場を受けることは、対応する標的領域のうちの少なくとも１つについての量子状態の離散的エネルギー準位を確立することを含む、例１１２に記載の量子制御方法。
例１１４．対応する標的領域の全てが離散的エネルギー準位を有する量子状態を有する、例１１３に記載の量子制御方法。
例１１５．離散的エネルギー準位は電子エネルギー準位を含む、例１１３または１１４に記載の量子制御方法。
例１１６．離散的エネルギー準位は光子エネルギー準位を含む、例１１３または例１１４もしくは１１５に記載の量子制御方法。
例１１７．１つまたは複数の電場を制御することは、第１の標的領域の第１の量子状態と第２の標的領域の第２の量子状態との間の量子結合を変更することを含む、例１１２に記載の量子制御方法。
例１１８．第１の標的領域は第２の標的領域と隣り合っている、例１１２または例１１３～１１７のいずれかに記載の量子制御方法。
例１１９．隣り合う標的領域の間の距離は７００ｎｍ以下である、例１１２または例１１３～１１８のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２０．突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から１００ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、例１１２または例１１３～１１９のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２１．突起のアレイの各突起は、空洞内で空洞と関連付けられる標的領域から２０ｎｍ未満に定置される先端部において終端する、例１１２または例１１３～１１９のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２２．突起のアレイの各突起は少なくとも４．０ｅＶの仕事関数を有する材料で形成されている、例１１２または例１１３～１２１のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２３．突起のアレイの各突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、例１１２または例１１３～１２２のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２４．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備える、例１１２または例１１３～１２３のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２５．各標的領域は場反応性層の原子構造における侵入部を備え、侵入部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた侵入部のアレイを画成する、例１１２または例１１３～１２３のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２６．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備える、例１１２または例１１３～１２５のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２７．各標的領域は場反応性層の原子構造における置換部を備え、置換部は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた置換部のアレイを画成する、例１１２または例１１３～１２５のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２８．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備える、例１１２または例１１３～１２７のいずれかに記載の量子制御方法。
例１２９．各標的領域は場反応性層の原子構造における空所を備え、空所は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた空所のアレイを画成する、例１１２または例１１３～１２７のいずれかに記載の量子制御方法。
例１３０．少なくとも１つの標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含む、例１１２または例１１３～１２９のいずれかに記載の量子制御デバイス。
例１３１．原子または分子は場反応性層の外側表面上に配設されている、例１３０に記載の量子制御方法。
例１３２．原子または分子は場反応性層の内側表面上に配設されている、例１３０に記載の量子制御方法。
例１３３．各標的領域は場反応性層の表面上の原子または分子を含み、原子または分子は集合的に、標的領域のアレイと位置合わせされた原子または分子のアレイを画成する、例１１２または例１１３～１３０のいずれかに記載の量子制御方法。
例１３４．絶縁体層、場反応性層、空洞のアレイのうちの空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路内で、光子を伝播させることと、
光子を標的領域のアレイの少なくとも１つの標的領域の量子状態に結合することと、
を含む、例１１２または例１１３～１３３のいずれかに記載の量子制御方法。
【0101】
本明細書は多くの詳細を包含しているが、それらは特許請求され得る内容の範囲を限定するものとしてではなく、特定の例に特有の特徴の記載として理解されるべきである。別個の実装形態の文脈で本明細書に記載されているかまたは図面に示されている特定の特徴を、組み合わせることもできる。逆に、単一の実装形態の文脈で記載されているかまたは示されている様々な特徴を、複数の実施形態において別々に、または任意の好適な下位組合せで、実施することもできる。
【0102】
同様に、図面では操作が特定の順序で描かれているが、このことは、望ましい全ての結果を達成するために、そのような操作をその示された特定の順序でもしくは連続的に行うこと、または示されている全ての操作を行うことを要求するものと解釈されるべきではない。特定の状況では、マルチタスク処理および並列処理が有利であり得る。また更に、上記した実装形態における様々なシステム構成要素の分離は、そのような分離が全ての実装形態において必要であるものと理解されるべきではなく、記載されたプログラム構成要素およびシステムを、全体的に単一の製品において１つに統合できるか、または複数の製品へとパッケージングできることが理解されるべきである。
【0103】
いくつかの実施形態を記載した。ただし、様々な修正を行い得ることが理解されるであろう。したがって、以下の特許請求の範囲の範囲内には他の実施形態が含まれる。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【手続補正書】
【提出日】2021-10-29
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
基材表面を備える基材と、前記基材表面の上にあり空洞を画成する絶縁体層であって、前記空洞への開口部を画成する絶縁体表面を備える、絶縁体層と、
前記絶縁体表面の上にあり前記空洞への前記開口部の上に定置される標的領域を備える、場反応性層と、
前記基材から前記空洞内へと延在し先端部において終端する突起であって、前記突起は前記標的領域の量子状態と相互作用する電場を生むように構成されており、前記先端部は前記空洞内に定置され、前記突起が生む前記電場を集中させるように構成されている、突起と、
を備える、量子制御デバイス。
【請求項2】
前記先端部は前記空洞内で前記標的領域から１００ｎｍ未満に定置される、請求項１に記載の量子制御デバイス。
【請求項3】
前記突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、請求項１に記載の量子制御デバイス。
【請求項4】
前記突起の前記先端部は、前記電場を前記標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさまで集中させるように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項5】
前記場反応性層は複数の層を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項6】
前記複数の層は、前記標的領域を包含している標的層と、
前記絶縁体層と前記標的層の間に配設されている中間層と、を備え、
前記中間層の厚さは、前記突起の前記先端部と前記場反応性層の前記標的領域の間の距離の一部である、請求項５に記載の量子制御デバイス。
【請求項7】
前記突起の基部の反対側にある電気コンタクトを備える、前記基材の下にあるアドレッシング層を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項8】
前記電気コンタクトは前記基材から電気信号を受け取るように構成されており、前記電気信号は前記標的領域の前記量子状態を特徴付けるものであり、前記基材は前記突起から前記電気コンタクトへと前記電気信号を伝達するように構成されている、請求項７に記載の量子制御デバイス。
【請求項9】
前記標的領域上へと光線を導くように構成されているレーザと、前記光線を受けることに反応して前記標的領域から放射される電子を受け取るように構成されている、電子分光計と、
を備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項10】
前記標的領域から光子を受け取るように構成されている光学分光計を備える、請求項９に記載の量子制御デバイス。
【請求項11】
前記絶縁体層、前記場反応性層、前記空洞、またはこれらの任意の組合せによって画成される光導波路を備え、前記光導波路は、前記標的領域の前記量子状態に結合する光子を伝播させるように構成されている、
請求項１～４のいずれか１項に記載の量子制御デバイス。
【請求項12】
基材上の突起から電場を生成することであって、前記突起は、前記基材の基材表面から絶縁体層によって画成される空洞内へと延在し、前記絶縁体層は前記基材表面の上に配設されており、前記空洞への開口部を画成する絶縁体表面を備える、生成することと、場反応性層の標的領域において前記電場を受けることであって、前記場反応性層は前記絶縁層の上に配設されており、前記標的領域は前記空洞の前記開口部の上に定置されている、受けることと、
前記場反応性層の前記標的領域の量子状態と相互作用するように前記電場を制御することと、
を含む、量子制御方法。
【請求項13】
前記突起において前記電場を生成することは、前記突起の先端部を用いて前記電場を集中させることを含み、前記標的領域において前記電場を受けることは、前記標的領域において前記集中させた電場を受けることを含む、
請求項１２に記載の量子制御方法。
【請求項14】
前記集中させた電場は前記標的領域において少なくとも１×１０9Ｖ／ｍの大きさを有する、請求項１３に記載の量子制御方法。
【請求項15】
前記突起から前記基材の下にあり前記突起の基部の反対側にある電気コンタクトへと電気信号を伝達することであって、前記電気信号は前記標的領域の前記量子状態を特徴付けるものである、伝達すること、を含む、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項16】
前記場反応性層の前記標的領域において光線を受けることを含む、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項17】
前記光線に反応して前記標的領域から放射された電子を電子分光計において受けることを含む、請求項１６に記載の量子制御方法。
【請求項18】
前記量子状態と相互作用するように前記電場を制御することは、前記場反応性層の前記標的領域の前記量子状態を変更するために前記電場の大きさを変更することを含む、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項19】
前記電場を生成している間に、前記突起から前記場反応性層の前記標的領域へと電子を伝達することを含む、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項20】
前記先端部は前記空洞内で前記標的領域から１００ｎｍ未満に定置される、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【請求項21】
前記突起は２：１～１００００：１の範囲内の高さ対幅比を有する、請求項１２～１４のいずれか１項に記載の量子制御方法。
【国際調査報告】