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(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】2024-07-12
(54)【発明の名称】量子処理素子の電気制御
(51)【国際特許分類】
H01L 29/06 20060101AFI20240705BHJP
G06N 10/40 20220101ALI20240705BHJP
H01L 21/336 20060101ALI20240705BHJP
H01L 29/66 20060101ALI20240705BHJP
G06F 7/38 20060101ALI20240705BHJP
【ＦＩ】
H01L29/06 601D
G06N10/40
H01L29/78 301J
H01L29/66 M
G06F7/38 510
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023578897
(86)(22)【出願日】2022-06-24
(85)【翻訳文提出日】2024-02-08
(86)【国際出願番号】 AU2022050649
(87)【国際公開番号】W WO2022266720
(87)【国際公開日】2022-12-29
(31)【優先権主張番号】2021901923
(32)【優先日】2021-06-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】AU
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】522366705
【氏名又は名称】ディラック プロプライエタリー リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】レオン、ロス チョ チュン
(72)【発明者】
【氏名】サライバ デ オリベイラ、アンドレ ルイス
(72)【発明者】
【氏名】ヤン、チ － ファン ヘンリー
(72)【発明者】
【氏名】ドズラク、アンドリュー スティーブン
(72)【発明者】
【氏名】タントゥ、トゥオモ
(72)【発明者】
【氏名】リム、ウィ ハン
(72)【発明者】
【氏名】ラウホテ、アーネ
【テーマコード（参考）】
5F140
【Ｆターム（参考）】
5F140BA01
5F140BB18
5F140BB19
5F140BD05
(57)【要約】
量子処理素子を制御する方法であって、量子処理素子が、半導体基板と、バリア材料であって、半導体基板とバリア材料との間に界面が形成されるように、半導体基板の上に形成されたバリア材料と、ゲート電極の配置と、外部磁石と、電子コントローラと、を備え、方法が、制御可能な数の電子又は正孔を結合するために、ゲート電極の配置に電圧を印加することによって静電閉じ込め電位を生成し、第１の量子ドットを形成することと、外部磁石を使用して、量子処理素子に定磁場を印加することであって、磁場が、第１の量子ドット内の制御可能な数の電子又は正孔のうちの不対電子又は正孔に関連付けられたスピン状態のエネルギー準位を分離する、印加することと、電子コントローラを使用して、ゲート電極の配置の電圧を変化させて、不対電子又は正孔の閉じ込め電位の波形を変化させることとを含む、方法。
【選択図】図１Ａ
【選択図】図１Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
量子処理素子を制御する方法であって、前記量子処理素子が、半導体基板と、
バリア材料であって、前記半導体基板と前記バリア材料との間に界面が形成されるように、前記半導体基板の上に形成されたバリア材料と、
ゲート電極の配置と、
外部磁石と、
電子コントローラとを備え、前記方法が、
制御可能な数の電子又は正孔を結合するために、前記ゲート電極の配置に電圧を印加することによって静電閉じ込め電位を生成し、第１の量子ドットを形成することと、
前記外部磁石を使用して前記量子処理素子に定磁場を印加することであって、前記磁場が、前記第１の量子ドット内の前記制御可能な数の電子又は正孔のうちの不対電子又は正孔に関連付けられたスピン状態のエネルギー準位を分離する、印加することと、
前記電子コントローラを使用して、前記ゲート電極の配置の前記電圧を変化させて、前記不対電子又は正孔の閉じ込め電位の波形を変化させることと
を含む方法。
【請求項2】
前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧を修正して、前記閉じ込め電位の前記波形を変化させることを更に含み、前記変化させることが前記第１の量子ドットの励起スペクトルを変更して、前記不対電子又は正孔の前記スピン状態の高速制御を可能にする、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記ゲート電極の配置に追加の交流電圧を印加して、前記不対電子又は正孔の前記スピン状態間の遷移を電気的に駆動することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧を修正して、前記第１の量子ドットの波動関数の形状を変化させることを更に含み、前記変化させることが、前記第１の量子ドットの励起スペクトルを変更して、前記不対電子又は正孔の前記スピン状態間の高速緩和を可能にする、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記量子処理素子が、制御可能な数の電子又は正孔を有する第２の量子ドットを更に含み、前記方法が、前記不対電子又は正孔を、前記第１の量子ドットから、不対電子又は正孔を含有する前記第２の量子ドットに一時的に移動させることと、
前記２つの電子又は正孔間の交換エネルギーを制御するために、前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧を修正して、前記第２の量子ドットの波動関数の形状を調節することと
を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧を修正して、前記第１の量子ドットの波動関数の形状を変化させ、前記電子又は正孔の前記スピン状態に依存する前記不対電子又は正孔の前記波動関数の変化をもたらすことを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記量子処理素子が、他の量子ドットを含み、前記第１の量子ドットの波動関数の前記形状の前記変化が、前記他の量子ドットに対する静電反発を引き起こす結果、第２の量子ドット内の前記不対電子又は正孔のスピン依存周波数シフトをもたらす、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
前記不対電子又は正孔の波動関数の前記スピン依存性変化によって作り出された電界が共振器に結合し、光子を生成するか又は吸収する、請求項６に記載の方法。
【請求項9】
前記量子処理素子が、共振器を介して第２の量子処理素子に結合されており、前記第２の量子処理素子が、制御可能な数の電子又は正孔と、不対電子又は正孔とを有する第２の量子ドットを含み、前記方法が、前記不対電子又は正孔の前記波動関数の前記スピン状態依存性変化によって作り出された電界によって、前記不対電子又は正孔を前記共振器に結合し、光子を生成するか又は吸収することを更に含む、請求項６に記載の方法。
【請求項10】
前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧を修正して、前記共振器に結合された前記第１の量子ドットの波動関数及び前記第２の量子ドットの波動関数の前記形状を変化させることを更に含み、前記第１の量子ドットの前記不対電子又は正孔の前記波動関数の前記スピン依存性変化によって生成された前記光子が、前記第２の量子ドットの前記不対電子又は正孔によって吸収され、そのスピン状態を変化させる、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
量子処理素子であって、半導体基板と、
バリア材料であって、前記半導体基板と前記バリア材料との間に界面が形成されるように、前記半導体基板の上に形成されたバリア材料と、
制御可能な数の電子又は正孔を結合するための静電閉じ込め電位を生成するように構成され、第１の量子ドットを形成する、ゲート電極の配置と、
前記第１の量子ドットに定磁場を印加して、前記第１の量子ドット内の前記制御可能な数の電子又は正孔のうちの不対電子又は正孔に関連付けられたスピン状態のエネルギー準位を分離するように構成された外部磁石と、
前記ゲート電極の配置に印加される電圧を変化させて、前記不対電子又は正孔の閉じ込め電位の波形を変化させるように構成された電子コントローラと
を備える量子処理素子。
【請求項12】
前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧が修正されて、前記閉じ込め電位の前記波形を変化させ、前記変化させることが、前記第１の量子ドットの励起スペクトルを変更して、前記不対電子又は正孔の前記スピン状態の高速制御を可能にする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項13】
追加の交流電圧が前記ゲート電極の配置に印加されて、前記不対電子又は正孔のスピン状態間の遷移を電気的に駆動する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項14】
前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧が修正されて、前記第１の量子ドットの波動関数の形状を変化させ、前記変化させることが、前記第１の量子ドットの励起スペクトルを変更して、前記不対電子又は正孔の前記スピン状態間の高速緩和を可能にする、請求項１１に記載のシステム。
【請求項15】
前記量子処理素子が、制御可能な数の電子又は正孔を有する第２の量子ドットを更に含み、前記第１の量子ドットからの前記不対電子又は正孔が、不対電子又は正孔を含有する前記第２の量子に一時的に移動され、前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧が、前記２つの電子又は正孔間の交換エネルギーを制御するために、前記第２の量子ドットの波動関数の形状を調節するように調整される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項16】
前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧が修正されて、前記第１の量子ドットの波動関数の形状を変化させ、前記電子又は正孔の前記スピン状態に依存する前記不対電子又は正孔の前記波動関数の変化をもたらす、請求項１５に記載のシステム。
【請求項17】
前記量子処理素子が、他の量子ドットを含み、前記第１の量子ドットの波動関数の前記形状の前記変化が、前記他の量子ドットに対する静電反発を引き起こす結果、第２の量子ドット内の前記不対電子又は正孔のスピン依存周波数シフトをもたらす、請求項１６に記載のシステム。
【請求項18】
前記不対電子又は正孔の波動関数の前記スピン依存性変化によって作り出された前記電界が共振器に結合し、光子を生成するか又は吸収する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項19】
前記量子処理素子が、共振器を介して第２の量子処理素子に結合されており、前記第２の量子処理素子が、制御可能な数の電子又は正孔と、不対電子又は正孔とを有する第２の量子ドットを含み、前記不対電子又は正孔の前記波動関数の前記スピン状態依存性変化によって作り出された電界が、前記共振器に結合し、光子を作り出すか又は吸収する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項20】
前記ゲート電極の配置に印加される前記電圧が修正されて、前記共振器に結合された前記第１の量子ドットの波動関数及び前記第２の量子ドットの波動関数の前記形状を変化させ、前記第１の量子ドットの前記不対電子又は正孔の前記波動関数の前記スピン依存性変化によって生成された前記光子が、前記第２の量子ドットの前記不対電子又は正孔によって吸収され、そのスピン状態を変化させる、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の態様は、量子処理システムに関連し、より具体的には、シリコンベースの処理システムに関連する。
【背景技術】
【0002】
過去半世紀のマイクロエレクトロニクスの指数関数的進歩は、シリコン技術に基づいており、多くの新材料に関する研究にも関わらず、シリコンは、古典的な計算のためのコア技術プラットフォームのままである。ここ数十年にわたり、シリコンが、全く新しい世代のデバイス（電荷及びスピンの量子力学的特性に基づいて動作する量子コンピューティングデバイス）の優れたホスト材料であり得ることがますます明白になってきた。シリコンは、その弱いスピン軌道結合と、ゼロ核スピンを有するシリコン同位体の豊富さとのため、固体デバイスでのスピンに理想的な環境である。古典的コンピュータで現在使用されている既存の製造技術と量子スピン制御を組み合わせるというビジョンは、シリコンベースの量子コンピューティングデバイスにおける広範囲にわたる作業を促進している。
【0003】
大規模な量子コンピュータは、古典的コンピュータよりも指数関数的に高い効率で、特定のクラスの計算上困難な問題に高速解法を提供する可能性を有する。そのような大規模な量子コンピュータを実現するには、量子ハードウェアを制御及びプログラムするための量子アーキテクチャの設計及び実装におけるいくつかの課題を克服する必要がある。
【発明の概要】
【0004】
本開示の第１の態様によれば、量子処理素子を制御する方法が提供される。量子処理素子は、半導体基板と、バリア材料であって、半導体基板とバリア材料との間に界面が形成されるように、半導体基板の上に形成されたバリア材料と、ゲート電極の配置と、外部磁石と、電子コントローラと、を備える。本方法は、制御可能な数の電子又は正孔を結合するために、ゲート電極の配置に電圧を印加することによって静電閉じ込め電位を生成し、第１の量子ドットを形成することと、外部磁石を使用して量子処理素子に定磁場を印加することであって、磁場が、第１の量子ドット内の制御可能な数の電子又は正孔のうちの不対電子又は正孔に関連付けられたスピン状態のエネルギー準位を分離する、印加することと、電子コントローラを使用してゲート電極の配置の電圧を変化させて、不対電子又は正孔の閉じ込め電位の波形を変化させることと、を含む。
【0005】
本開示の第２の態様によれば、量子処理素子であって、半導体基板と、バリア材料であって、半導体基板とバリア材料との間に界面が形成されるように、半導体基板の上に形成されたバリア材料と、制御可能な数の電子又は正孔を結合するための閉じ込め静電電位を生成するように構成され、第１の量子ドットを形成するゲート電極の配置と、第１の量子ドットに定磁場を印加して、第１の量子ドット内の制御可能な数の電子又は正孔のうちの不対電子又は正孔に関連付けられたスピン状態のエネルギー準位を分離するように構成された外部磁石と、ゲート電極の配置に印加される電圧を変化させて、不対電子又は正孔の閉じ込め電位の波形を変化させるように構成された電子コントローラと、を備える量子処理素子が提供される。
【0006】
いくつかの実施形態では、ゲート電極の配置に印加される電圧が修正されて、閉じ込め電位の波形を変化させ、これが第１の量子ドットの励起スペクトルを変更して、不対電子又は正孔のスピン状態の高速制御を可能にする。
【0007】
いくつかの実施形態では、不対電子又は正孔のスピン状態間の遷移を電気的に駆動するために、追加の交流電圧がゲート電極の配置に印加される。
【0008】
更に、いくつかの実施形態では、ゲート電極の配置に印加される電圧が修正されて、第１の量子ドットの波動関数の形状を変化させ、これが第１の量子ドットの励起スペクトルを変更して、不対電子又は正孔のスピン状態間の高速緩和を可能にする。
【0009】
いくつかの他の実施形態では、量子処理素子は、制御可能な数の電子又は正孔を有する第２の量子ドットを更に含む。そのような実施形態では、第１の量子ドットからの不対電子又は正孔は、不対電子又は正孔を含有する第２の量子に一時的に移動され得、ゲート電極の配置に印加される電圧が、２つの電子又は正孔間の交換エネルギーを制御するために、第２の量子ドットの波動関数の形状を調節するように調整され得る。
【0010】
更に、そのような実施形態では、ゲート電極の配置に印加される電圧が修正されて、第１の量子ドットの波動関数の形状を変化させ、電子又は正孔のスピン状態に依存する不対電子又は正孔の波動関数の変化をもたらす。
【0011】
いくつかの他の実施形態では、量子処理素子は、他の量子ドットを含み、第１の量子ドットの波動関数の形状の変化は、第２の量子ドット内の不対電子又は正孔のスピン依存性周波数シフトをもたらす、他の量子ドットに対する静電反発を引き起こす。
【0012】
いくつかのそのような実施形態では、量子処理素子は、第１の量子ドットと他の量子ドットのうちの１つとの間に位置決めされた共振器を含み、第１の量子ドットにおける不対電子又は正孔の波動関数のスピン依存性変化によって作り出された電界が、共振器に結合し、光子を生成するか又は吸収する。
【0013】
更に他の実施形態では、量子処理素子は、共振器を介して第２の量子処理素子に結合されており、第２の量子処理素子は、制御可能な数の電子又は正孔と、不対電子又は正孔と、を有する第２の量子ドットを含み、不対電子又は正孔の波動関数のスピン状態依存性変化によって作り出された電界は共振器に結合し、光子を生成するか又は吸収する。更に、ゲート電極の配置に印加される電圧が修正されて、共振器に結合された第１の量子ドットの波動関数及び第２の量子ドットの波動関数の形状を変化させ、第１の量子ドットの不対電子又は正孔の波動関数のスピン依存性変化によって生成された光子は、第２の量子ドットの不対電子又は正孔によって吸収され、そのスピン状態を変化させる。
【0014】
本明細書で使用される場合、状況が変更を必要とする場合を除き、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語及び用語の変形、例えば「含むこと（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び「含まれる（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」は、更なる添加物、構成要素、整数又はステップを除外することを意図するものではない。
【0015】
本発明の更なる態様、及び前段落に記載の態様の更なる実施形態は、例として及び添付の図面を参照して与えられる以下の説明から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0016】
本発明の特徴及び利点は、添付の図面を参照して、実施例としてのみ、本発明の実施形態の以下の説明から明らかになるであろう。
【0017】
【図1A】例示的な量子ドットデバイスの概略側断面図を示す。
【図1B】例示的な量子ドットデバイスの概略側断面図を示す。
【図1C】本開示の実施形態のいくつかによる、例示的な量子処理ユニットの概略上面図を示す。
【図2】５個の電子を有する多電子量子ドットの定性的な図である。
【図4A】ゲート電圧の関数としての量子ドットにおける電子の最も低い４つの固有状態の例示的なエネルギー線図を示す。
【図4B】以下の３つのレジームにおける量子ドットの閉じ込め電位及び波動関数の概略図を示す：電子がアイドルであるとみなされる２つのレジーム（左及び中央の列）、並びにスピン依存性電気分極がキュービットに影響を与える１つのレジーム（右の列）。
【図5】多電子量子ドットのスピン回転を制御するための方法を例解するフローチャートである。
【図6】３電子量子ドットの交換ゲート上のバイアス電圧の関数としての量子ドットの励起状態エネルギーを示す。
【図7A】３電子量子ドットの離調及びゲートバイアスの関数としての測定ラビ周波数を示す。
【図8A】ゲートのうちの１つに印加された電圧バイアスと、アンテナに印加されたマイクロ波信号の周波数と、の関数として、二重量子ドットスピンブロッケード実験における一重項を測定する確率を示す。
【図8B】ゲートのうちの１つに印加された電圧バイアスと、マイクロ波バーストの持続時間と、の関数として、二重量子ドットスピンブロッケード実験における一重項を測定する確率を示す。
【図8C-8E】異なるラビ振動周波数、１．５ＭＨｚ、８．５ＭＨｚ、及び１７ＭＨｚにそれぞれ対応する異なるゲート電圧バイアスに対するマイクロ波バースト時間及びマイクロ波周波数の関数として、二重量子ドットスピンブロッケード実験における一重項を測定する確率を示す。
【図9A】量子デバイスのエネルギーバンド図の概略図を示す。
【図9B-9C】Ｔ１緩和及びラビ制御較正実験それぞれに対するパルス列の概略図を示す。
【図9D-9F】１個、５個及び１３個の電子をそれぞれ有する多電子量子ドットに対するゲート電圧の関数として、スピン共鳴、スピン緩和時間及びラビ周波数のシュタルクシフトを示す。
【図10A】記載された実施形態の量子システム及び方法を使用する、改善されたＥＤＳＲへのアプローチを示す。
【図10B】記載された実施形態の量子システム及び方法を使用する、改善されたＥＤＳＲへのアプローチを示す。
【図10C】記載された実施形態の量子システム及び方法を使用する、改善されたＥＤＳＲへのアプローチを示す。
【図10D】記載された実施形態の量子システム及び方法を使用する、改善されたＥＤＳＲへのアプローチを示す。
【図10E】記載された実施形態の量子システム及び方法を使用する、改善されたＥＤＳＲへのアプローチを示す。
【図10F】記載された実施形態の量子システム及び方法を使用する、改善されたＥＤＳＲへのアプローチを示す。
【図10G】記載された実施形態の量子システム及び方法を使用する、改善されたＥＤＳＲへのアプローチを示す。
【図10H】記載された実施形態の量子システム及び方法を使用する、改善されたＥＤＳＲへのアプローチを示す。
【図11】複数のキュービットのシステムの概略図を示し、複数のキュービットにおいて、２つのキュービットを除く全てのキュービットは、電界から保護されるように構成されており、スピン依存性の電気的分極可能な状態にあるように構成された２つのキュービットは、中距離の双極子結合を介して互いに相互作用する。
【図12】マイクロ波共振器を介して接続された２つの量子ドットのブロック図である。
【図13】本開示のいくつかの態様による、２キュービット演算を実行するための例示的な方法を例解するフローチャートである。
【図14A】２キュービット多電子量子ドットシステムの概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0018】
（概要）
量子コンピューティングシステムの一種は、半導体量子チップ内の電子スピン及び／又は核スピンである個々のキュービットのスピン状態に基づいている。これらの電子スピン及び／又は核スピンは、ゲート定義量子ドットに閉じ込められ、量子ビット又はキュービットと呼ばれている。
量子コンピューティングシステムの一種は、半導体量子チップ内の電子スピン及び／又は核スピンである個々のキュービットのスピン状態に基づいている。これらの電子スピン及び／又は核スピンは、ゲート定義量子ドットに閉じ込められ、量子ビット又はキュービットと呼ばれている。
【0019】
ゲート定義量子ドット内の電子スピンに基づくキュービットアーキテクチャは、キュービットの電気的及び／又は磁気的操作だけで単一及び多キュービットコヒーレント演算が実現される高レベルの可制御性から利益を得る。特に、そのようなキュービットアーキテクチャのシリコンマイクロエレクトロニクス製造との直接の互換性は、大規模な量子コンピュータにスケールアップするためのまたとない機会を提供する。
【0020】
任意の大規模な量子コンピュータの構成要素は、量子ゲート、すなわち、１つ又は２つのキュービットに作用する基本的な量子演算である。量子ゲートの例としては、一致ゲート、パウリゲート、制御ゲート、位相シフトゲート、スワップゲート、トフォリゲートなどが挙げられる。半導体においてスピンベースのキュービットを操作すること、特に、キュービットのスピン状態で高速演算を実行することは、量子ゲートを構築するための重要な手段である。特に、高速の、個別にアドレス指定可能な（ユニタリ変換、量子測定、及び初期化などの）キュービット演算は、拡大縮小が可能なアーキテクチャに不可欠である。
【0021】
これまでのところ、キュービットのスピン状態を操作／制御するための主な手段は２つあり、磁気制御及び電気制御である。磁気制御では、オンチップ生成磁場又はオフチップ外部生成（又はグローバル）磁場のいずれかが量子チップに印加されて、キュービットを駆動／制御する。特に、キュービット制御は、印加されたＤＣ磁場に垂直な方向に交番磁場を導入することによって、実現することができる。このことは、一般に、キュービットの近くのオンチップアンテナ電極にＡＣ電流を印加することによって行われる。ＡＣ電流は交番磁場を生成する。この磁場の周波数が、キュービットの共振周波数と一致すると、スピンキュービットは時間の関数として回転し始める。これらの振動はラビ振動と呼ばれ、単一キュービット回転及び制御の基礎を形成する。
【0022】
磁気制御は、シリコンベースのキュービットにおける高忠実度の単一キュービットゲート及び２キュービットゲートを可能にするが、ナノメートルスケール（量子ドットが製造されることが多いスケール）で局所振動磁場を生成する技術的な複雑さは、磁気制御の将来的な拡張性にとって大きな障害のままである。更に、局所振動電流は、量子コンピューティングチップで熱を生成することが多く、キュービットコヒーレンスに必要な極低温環境と適合しない。オンチップアンテナによって磁場が生成される場合、アンテナは、量子コンピューティングチップ上の貴重な不動産を占有する。これらの困難は、スピンを電気的に操作するための動機付けを与える。
【0023】
スピンを電気的に制御するための１つの方法は、電子双極子スピン共鳴（ＥＤＳＲ）を使用することによる。ＥＤＳＲは、一般に、スピンキュービットをその電荷自由度に結合することによって達成され、電荷自由度は、スピン軌道結合（ＳＯＣ）によって誘起され得る。ＳＯＣは、一般に、相対論的効果により原子及び固体中に存在し、電界内を移動する電子は、それぞれの基準系内で有効な磁場の影響を受ける。しかしながら、シリコンの場合、ＳＯＣは本質的に弱い。ＳＯＣの強度を高めるために、大きなスピン軌道結合材料、又はマイクロ磁石からの磁場勾配の使用など、いくつかの異なる機構を使用することができる。
【0024】
オンチップマイクロ磁石は、ＳＯＣを強化するのに役立つが、これらのオンチップマイクロ磁石は、量子処理チップ上の有益な不動産を占有する。更に、対応するキュービットに近接した量子処理チップ上にそのような小さなマイクロ磁石を製造することは、エンジニアリング上の課題である。いくつかの既知の技法は、マイクロ磁石を必要とせず、自然なＳＯＣのみを利用して、キュービットを電気的に駆動及び／又は制御しようとしてきたが、これらの技法では、ラビ振動の速度は、高忠実度制御を提供するには、デコヒーレンス時間（すなわち、量子コヒーレンスを失うのにかかる時間）と比較して低すぎた。
【0025】
本開示の態様は、電気的操作を介してキュービットを制御するための新しい技法を提供する。特に、本開示の態様は、各々が制御可能な数の電子を含有する１つ以上の量子ドットを含む量子コンピューティングデバイスと、量子ドットの波動関数の操作を通じて、量子ドット内の電子の制御スピン回転を容易にする技法と、を提供する。いくつかの実施例では、量子ドットの波動関数形状は、量子ドットを閉じ込める静電電位（閉じ込め電位とも呼ばれる）の操作を通じて調節され得る。波動関数の他の種類の修正を利用して、同じ効果をもたらすこともできる。
【0026】
本開示での波動関数の操作は、量子ドット内の電子の量子化エネルギー準位を制御することによって達成される。有利なエネルギー構成は、３つ以上の電子を有する量子ドットに対するこのような操作を介して達成することができる。しかしながら、本効果はまた、単一電子の波動関数の操作によって達成することもできる。
【0027】
量子ドットの波動関数を操作することにより、本開示の態様は、従来のキュービット制御／演算技法よりも１０～１００倍速くキュービット演算を実行することができ、それにより、キュービット忠実度を大幅に改善する。更に、本開示のいくつかの実施例では、本開示の技法を使用して、オンチップマイクロ磁石を使用することなく、キュービットを電気的に操作することができる。
【0028】
本開示のキュービットデバイス及び制御／演算技法のこれら及び他の利点は、以下の節で詳細に説明される。
【0029】
（例示的なキュービットデバイス）
図１Ａは、本開示の態様による例示的な量子処理素子１００を示す。この例では、量子処理素子１００は、多電子量子ドット１１０、すなわち、複数の電子を含む量子ドットを含む。
図１Ａは、本開示の態様による例示的な量子処理素子１００を示す。この例では、量子処理素子１００は、多電子量子ドット１１０、すなわち、複数の電子を含む量子ドットを含む。
【0030】
量子処理素子１００は、誘電体バリア材料１０４によって覆われた半導体基板１０２を含む。この例では、半導体基板１０２は、（従来のシリコン基板上で成長したエピタキシャル層であり得る）同位体濃縮２８シリコン（Ｓｉ－２８）であり、誘電体は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）である。半導体基板１０２及び誘電体１０４は、この例では、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面である界面１０６を形成する。ゲート電極１０８は、誘電体１０４上に位置決めされ、界面１０６で量子ドット１１０を形成するように制御可能である。特に、ゲート電極１０８に印加された十分に正の電圧は電子を閉じ込め、量子ドット１１０を形成する。
【0031】
誘電体バリア材料１０４は、典型的には、電子又は正孔の移動を絶縁する材料を含むであろう。例としては、二酸化シリコンなどの酸化物、又はシリコンと他の元素との合金（シリコン－ゲルマニウムなど）、又は電子又は正孔の貫通に対するエネルギーバリアを作り出す他の材料が挙げられる。
【0032】
いくつかの実施例では、量子ドット１１０は、Ｎ個の電子を含み得、ここで、Ｎは１以上の奇整数である。キュービットは、以下で詳細に説明されるように、Ｎ個の電子のうちの１つのスピンに符号化され得る。ゲート電極１０８は、１）（図示されていないリザーバから）量子ドット内に電子を導入することと、２）ＡＣ電界を使用して、電子のスピンを直接制御することと、３）量子ドット１１０内の電子の波動関数を変えることと、を行うために使用され得る。いくつかの実施例では、上記の機能のうちの１つ以上を実行するために、他の専用電極が提供され得る。例えば、１つのゲート電極は、量子ドット１１０内の波動関数を変えるために提供されてもよく、一方、別のゲート電極は、量子ドット１１０の電子の電子スピンを制御するために利用されてもよい。量子処理素子１００の一部として設けられたゲート電極は、ゲート電極の配置を形成する。
【0033】
図１Ｂは、２つの多電子量子ドット１１０、１２６を含む、本開示の態様による量子処理素子１２０の別の例を示す。図１Ａの量子処理素子１００と同様に、量子処理素子１２０は、誘電体１０４によって覆われた半導体基板１０２を含む。この例では同様に、半導体基板１０２は同位体濃縮シリコンＳｉ－２８であり、誘電体１０４はＳｉＯ２である。半導体基板１０２及び誘電体１０４は、この例ではまた、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面１０６でもある、界面１０６を形成する。
【0034】
更に、この例では、量子処理素子１２０は、ともにゲート電極の配置を形成する３つのゲート電極（１０８、１２２及び１２４）を含む。ゲート電極１０８は、誘電体１０４上に位置決めされ、界面１０６で第１の量子ドット１１０を形成するように動作可能である。ゲート電極１２４は、誘電体１０４上に位置決めされ、界面１０６で第２の量子ドット１２６を形成するように動作可能である。ゲート電極１２２は、バリアゲート又は交換ゲートであり得る。ゲート１０８、１２２及び１２４は、量子ドット１１０、１２６内の電子を閉じ込め、動作中に電子のスピンを制御し、及び／又は動作中に量子ドット１１０、１２６の波動関数を変えるために使用することができるゲート電極の配置を形成する。他の実施例では、ゲート電極の配置は、より多くのゲート電極を含み得る。
【0035】
前述のように、２つの量子ドット１１０及び１２６の各々は、複数の電子を含み得、キュービットは、量子ドット（１１０、１２６）の各々で隔離された電子のスピンを使用して符号化される。この配置は、Ｎ－Ｍ占有率を有する二重量子ドットを形成するために利用され得る。Ｎ－Ｍ占有率を有する二重量子ドットは、左の量子ドット１１０にＮ個の電子、右の量子ドット１２６にＭ個の電子を有するキュービットデバイス１２０であると理解され、ここで、ＮはＭと等しくてもよく、又は等しくなくてもよい。
【0036】
いくつかの実施例では、電圧バイアスは、バリア電極１２２に印加されて、量子ドット１１０及び１２６に閉じ込められた電子のスピンに符号化されたキュービットの結合を制御し得る。更に、ゲート電極１０８、１２２、１２４の配置に印加された電圧の組み合わせは、２つの量子ドット１１０及び１２６の各々におけるスピン間の交換結合を制御するために使用され得る。
【0037】
いくつかの実施例では、Ｓｉ／ＳｉＯ２界面に閉じ込められた二次元電子ガスは、ゲート１０８、１２２及び１２４を通る静電界を使用することによって、量子ドット１１０及び１２６を隔離するために空乏化され得る。他の実施例では、他の表面ゲート電極構造もまた、量子ドットの閉じ込めを支援するために用いられ得る。いくつかの実施形態では、電子閉じ込めを促進するために、ドープ領域又は誘電体領域などの更なる要素を界面に導入することができる。界面における電子の全濃度は、デバイスの上の隔離されたグローバルゲート（図示せず）を使用して、あるいはデバイスの下の隔離されたグローバルゲート（図示せず）を使用することによって修正され得る。
【0038】
図１Ｃは、本開示の実施形態による、別の例示的な量子処理ユニット１３０の概略上面図を示す。量子処理ユニット１３０は、最大９個の多電子量子ドット１３６Ａ～Ｉの閉じ込め電位を生成するための、ゲート電極１３２Ａ～Ｉ（まとめてゲート電極１３２と呼ばれる）及びバリア電極１３４Ａ～Ｌ（まとめてバリア電極１３４と呼ばれる）を含む電極の配置を備える。
【0039】
いくつかの実施例では、量子処理ユニット１３０は、複数の量子処理素子１００のアレイによって形成されてもよい。そのような実施形態では、量子処理ユニット１３０内の量子ドット１３６Ａ～Ｉの各々は、量子ドット１１０と同様であり、複数の電子を含み得る。しかしながら、各量子ドット１３６Ａ～Ｉの電子数は同じである必要はない。キュービットは、各量子ドット１３６Ａ～Ｉ内に隔離された電子のスピンに符号化され得る。
【0040】
例えば、量子ドット１３６Ａは、量子ドット１３６Ａ内の制御可能な数の電子を結合するために、ゲート電極１３２Ａ並びにバリア電極１３４Ａ及び１３４Ｃの配置によって生成された閉じ込め静電電位によって形成され得る。
【0041】
図示されていないが、図１Ａ～図１Ｃに示される量子処理素子は、ゲート電極１０８、１２２、１２４、１３２、１３４に印加される電圧及び／又はバイアスを制御及び修正するように構成された１つ以上のコントローラを更に含み得る。特に、コントローラは、ゲート電極に印加される電圧を制御して、量子ドットを形成するための閉じ込め静電電位を生成し、かつ／あるいは量子ドット内の不対電子又は正孔の閉じ込め電位の波形を変化させるために使用され得る。
【0042】
（多電子量子ドットの物理的性質）
量子処理デバイス１００及び１２０で使用されるもののような多電子量子ドットは、人工原子とみなされることが多い。そのような多電子量子ドットは、量子処理ユニット（例えば、量子処理ユニット１３０）で使用するための安定したキュービットを作り出すことができ、単一電子量子ドットよりも電荷ノイズに対してより抵抗力があるため有用である。更に、多電子量子ドットで形成されたキュービットは、単一電子キュービットと比較してより高く、調節可能なトンネル結合強度を有する。
量子処理デバイス１００及び１２０で使用されるもののような多電子量子ドットは、人工原子とみなされることが多い。そのような多電子量子ドットは、量子処理ユニット（例えば、量子処理ユニット１３０）で使用するための安定したキュービットを作り出すことができ、単一電子量子ドットよりも電荷ノイズに対してより抵抗力があるため有用である。更に、多電子量子ドットで形成されたキュービットは、単一電子キュービットと比較してより高く、調節可能なトンネル結合強度を有する。
【0043】
図２は、５個の電子２０４Ａ～Ｅを含む例示的な多電子量子ドット２００の概略図である。（ｘ軸に沿った）距離の関数としての（ｙ軸に沿った）閉じ込め電位は、キュービットデバイス１２０内のゲート電極、例えばゲート電極１０８、１２２及び１２４の配置に印加された電圧について示される。図２に見られるように、この場合の閉じ込め電位２０２は三次元の電位ウェルである。このような閉じ込めウェルのナノスケールサイズは、離散的なエネルギースペクトルをもたらす。Ｓｉ／ＳｉＯ２界面は、一次元の閉じ込めを提供し、他の２つの次元は静電界によって閉じ込められる。
【0044】
一般的に言えば、シュレーディンガー方程式の波動方程式解は、量子ドット内の電子分布を規定する軌道を生成する。特に、軌道は、量子ドットに結合した電子の最も可能性の高い場所及び波状特性を記述する数学的関数である。これらの量子ドット軌道の特性は、原子核に結合した電子の軌道に類似してもよい。特に、量子ドット軌道は、原子軌道と同様の量子数及び縮退を有し得る。
【0045】
典型的には、各原子軌道は、量子数（すなわち、ｎ、ｌ及びｍｌ）の固有のセットによって特徴付けられる。これらの量子数のうちの第１のものｎは主量子数であり、電子のエネルギーを表す。第２の量子数ｌは、軌道角運動量量子数である。これらの原子軌道自体は、ｓ、ｐ、ｄ、ｆなどと表され、それぞれ、軌道角運動量数ｌ＝０、１、２、３、…である電子の確率分布を表す。第３の量子数ｍｌは磁気量子数であり、軌道の角度自由度内の縮退を規定する。縮退とは、電子が有し得、更に同じエネルギーを有し得る、異なる軌道状態の数である。原子軌道ｓ、ｐ、ｄ及びｆは、それぞれ、対応する縮退１、３、５及び７を有する。
【0046】
これら３つの量子数（ｎ、ｌ、ｍｌ）は、原子内の原子軌道又はエネルギー準位を規定し、原子の電子配置を記述するために使用される。原子の離散的なエネルギー準位又は原子軌道の電子充填は、より高いエネルギー軌道を充填する前に、より低いエネルギーの原子軌道が先に充填されるとする構造原理に従う。
【0047】
構造原理は、２つの電子が全く同じ量子数を持つことはできないとするパウリの排他原理と併せて使用される。したがって、量子数（ｎ、ｌ、ｍｌ）によって規定された単一の原子軌道には、２つの電子だけが存在し得る。スピン量子数として知られている第４の量子数、すなわち、ｍｓは電子の固有角運動量、すなわち、電子スピンを表す。この第４の量子数は、同じ原子軌道内の２つの電子を区別するために必要である。したがって、これら４つの量子数（ｎ、ｌ、ｍｌ、ｍｓ）は、原子内の電子の量子状態を完全に記述する。
【0048】
原子中の電子と同様に、多電子量子ドット中の電子は、離散的なエネルギー準位を占有する。図２に戻ると、量子ドット２００は、５つの電子２０４Ａ～２０４Ｅ及び３つの異なるエネルギー準位２０６Ａ～２０６Ｃを有する多電子量子ドットである。電子２０４Ａ～Ｅは、量子力学の規則に従って、閉じ込め電位２０２によって規定された量子ドット２００内の離散的なエネルギー準位２０６Ａ～Ｃを充填する。このように、２つの電子は、特定のエネルギー準位を占有することができ、より高いエネルギー準位の前に、より低いエネルギー準位を充填する。したがって、２つの電子２０４Ａ～Ｂはエネルギー準位２０６Ａを占有し、２つの電子２０４Ｃ～Ｄはエネルギー準位２０６Ｂを占有する。
【0049】
最後の不対電子２０４Ｅは価電子と呼ばれ、価電子は量子ドット２００内のエネルギー準位２０６Ｃ（最高の占有準位とも呼ばれる）を占有する。本開示の態様では、キュービットはこの不対価電子２０４Ｅのスピンに符号化される。
【0050】
原子軌道と同様に、量子ドット軌道はそれぞれを列挙する量子数を有し、縮退又は準縮退（２つ以上の軌道が、非常に類似しているが同一ではないエネルギーを有する状況）を有する。
【0051】
量子ドット内の量子数は、原子内の量子数とは異なるが、軌道は原子軌道に類似しており、すなわち、量子ドットはまた、ｓ、ｐ、ｄ及びｆと表す角運動量を有する。それにも関わらず、軌道ごとの縮退は、原子の場合とは異なる。量子ドットシステムにおける縮退は、それぞれ１、２、３及び４である。
【0052】
特にシリコンでは、電子は、シリコン伝導帯の複数の最小値に関連付けられた追加の量子数を有する。この量子数は谷と呼ばれる。シリコン（（００１）結晶学的方向）とＳｉＯ２との間の界面に対して閉じ込められた電子によって形成された量子ドットでは、電子は２つの谷状態のいずれかにあり得る。これらの谷状態は、谷の分裂と呼ばれる鋭い界面電位によって引き起こされるエネルギー分離を有する。
【0053】
量子ドット内の第１の占有エネルギー準位（すなわち、エネルギー準位２０６Ａ）は、完全に対称な原子軌道、すなわち、ｓ型軌道に類似している。量子ドット内の第２の占有エネルギー準位（すなわち、エネルギー準位２０６Ｂ）もまた、完全に対称なｓ型軌道に類似しているが、異なる谷量子数を有するため、より高いエネルギーを有する。第３のエネルギー準位（すなわち、エネルギー準位２０６Ｃ）は、最高の占有エネルギー準位であり、ｐ型軌道に類似している。本システムにはまた、価電子が励起された場合に占有し得る高次のエネルギー準位が存在する。この例では、第４のエネルギー準位２０６Ｄ、すなわち、最も低い空軌道もまたｐ型軌道に類似している。
【0054】
一般的に言えば、球対称原子では、３つのｐ軌道（ｐｘ、ｐｙ、ｐｚ）があり、これらの軌道は縮退している（すなわち、同じエネルギー準位を有する）。しかしながら、静電閉じ込めが二次元である量子ドットシステム２００では、２つのｐ型軌道（ｐｘ及びｐｙ）が利用可能である。例えば、第３のエネルギー準位２０６Ｃ（すなわち、最高占有軌道）はｐｘ軌道であり得、第４のエネルギー準位２０６Ｄ（すなわち、最低空軌道）はｐｙ軌道であり得る。ｐｘ及びｐｙの命名の選択は任意であり、それぞれの方向は、量子ドットの楕円度のみにより決定される。更に、それぞれの縮退は、閉じ込め電位２０２の波形を変えることによって持ち上げることができる。
【0055】
同様のやり方で、Ｎ＝１３及びＮ＝２５個の電子を有する量子ドットは、それぞれ、ｄ量子ドット軌道及びｆ量子ドット軌道において単一電子を有する。また、Ｎ＝１個の電子を有する量子ドットは、最低谷量子数を有する最低のｓ軌道にのみ電子を有する。同様に、Ｎ＝３個の電子を有する量子ドットは、ｓ軌道では１個の価電子を有するが、より高い谷量子数では１個の価電子を有する。
【0056】
（量子ドットの形状の調節）
前述のように、本開示の態様は、閉じ込め電位２０２の波形を変化させ、それによって、量子ドットの励起スペクトルの制御を可能にする。様々な波動関数の変化は、該制御を達成することを目標にできるが、特定の実施形態では、閉じ込め電位の波形を変化させることは、量子ドットの波動関数の形状も変化させる。閉じ込め電位の波形及び／又は量子ドットの波動関数の形状におけるこのような変化は、以下の節で説明されるアプリケーションのうちの１つで使用することができる。
前述のように、本開示の態様は、閉じ込め電位２０２の波形を変化させ、それによって、量子ドットの励起スペクトルの制御を可能にする。様々な波動関数の変化は、該制御を達成することを目標にできるが、特定の実施形態では、閉じ込め電位の波形を変化させることは、量子ドットの波動関数の形状も変化させる。閉じ込め電位の波形及び／又は量子ドットの波動関数の形状におけるこのような変化は、以下の節で説明されるアプリケーションのうちの１つで使用することができる。
【0057】
図３Ａ及び図３Ｂは、本開示の態様による、２つの異なる楕円度における量子ドットの波動関数形状の調節を示す。特に、図３Ａ及び図３Ｂは、量子ドット２００を取り囲むゲート電極の配置に異なる電圧が印加されるときの、対応する閉じ込めウェル２０２の形状及び電子ｐ軌道とともに、例示的な多電子量子ドット２００の概略図を示す。これらの実施例では、量子ドット２００は５個の電子２０４Ａ～Ｅを含む。
【0058】
図２を参照して前述したように、５電子量子ドットは、量子ドット２００の２つの最低エネルギー準位２０６Ａ～Ｂ（すなわち、各々が異なる谷量子数を有する２つのｓ型軌道）を占有する４個の対（したがって、不活性）電子２０４Ａ～２０４Ｄを含む。第５の価電子２０４Ｅは、最高占有軌道としても知られている第３のエネルギー準位２０６Ｃを占有する。この例では、ここで図３を参照すると、価電子２０４Ｅはｐｘ軌道２０６Ｃを占有する。最低空軌道はｐｙ軌道（２０６Ｄ）である。ｐｘ及びｐｙの命名の選択は任意であり、それぞれの方向は、（前述のように）量子ドットの楕円度のみにより決定される。
【0059】
ゲート電極の配置を通して印加されたＤＣ電界の組み合わせは、量子ドットの波動関数の形状を操作する。すなわち、印加されたＤＣ電界は、量子ドットの波動関数の楕円度を効果的に変化させる。量子ドットの波動関数の楕円度におけるこのような変化は、次に、最高の占有エネルギー準位（ｐｘ軌道）と最低の空エネルギー準位（ｐｙ軌道）との間のエネルギーギャップを変更する。
【0060】
図３Ａは、１つ以上の電極（例えば、図１Ａのゲート電極１０８）の配置を介して静電電位を量子ドット２００に印加して、より楕円形の量子ドットの波動関数形状３１０を作り出す場合を示す。このように更に高い楕円度は、ｐｘ軌道とｐｙ軌道との間のエネルギーギャップを拡大する。これにより、ｐｙ軌道は、価電子２０４Ｅが励起されて入るには、エネルギー的に不利な軌道となる。したがって、ｐｘ軌道に残っている価電子の確率を増加させる。
【0061】
図３Ｂは、ゲート電極（例えば、図１Ａのゲート電極１０８、又は量子処理ユニット１３０のゲート電極１３２、１３４のいくつかの組み合わせ）の配置を介して静電電位を量子ドット２００に印加して、より円形の量子ドットの波動関数形状３２０を作り出す場合を示す。このように低い楕円度は、ｐｘ軌道とｐｙ軌道との間のエネルギーギャップを縮小する／狭める。これにより、ｐｙ軌道は、価電子２０４Ｅが励起されて入るには、エネルギー的により有利な軌道となる。したがって、価電子が（まだｐｘ軌道を好んでいても）ｐｙ軌道にいる確率を高める。このような状態では、少しのポテンシャルエネルギーは、価電子２０４Ｅをｐｘ軌道からｐｙ軌道に励起するのに十分である。
【0062】
静電電位を（ゲート電極の配置を介して）量子ドット２００に印加して、真円形の量子ドットの波動関数を作り出した場合、ｐｘ軌道及びｐｙ軌道は縮退し、すなわち、同じエネルギーを有することになる。この場合、価電子がｐｘ軌道又はｐｙ軌道のいずれかにいる確率は等しくなる。この場合、ｐｘ軌道及びｐｙ軌道の任意の量子重ね合わせはまた、電子２０４Ｅにとっての定常状態でもあり、電子２０４Ｅは、エネルギーコストなしでｐｘ軌道からｐｙ軌道に変化することができる。
【0063】
より楕円形から非楕円形又は円形への量子ドットの波動関数形状の横方向の「圧縮」、及びその逆は、量子ドット２００の内部エネルギー準位を効果的に制御する。
【0064】
図３Ａ及び図３Ｂに示される特定の実施例では、量子ドットの波動関数の横方向の圧縮は、ｐｘ軌道とｐｙ軌道との間のエネルギーギャップを変更する。その結果として、価電子２０４Ｅがｐｘ軌道からｐｙ軌道に励起される可能性が影響を受ける。このようにエネルギー準位を制御することにより、アプリケーションの節で更に論じられるように、複数のアプリケーションをキュービットで実行することを可能にする。
【0065】
ここで論じられる特定の実施例は、量子ドットの楕円度と、異なる軌道状態の縮退との関係と、に関連していることに留意すべきであるが、谷縮退、異なる角運動量（例えば、ｐ及びｄ）を有する２つの軌道間の縮退、及びＷｉｇｎｅｒ分子などの電子－電子相関によって生成された２つの状態間の縮退などの他の形態の縮退を、同じやり方で作り出すことができる。任意の形態の電気的に制御可能な縮退は、本明細書に記載のアプリケーションに同じ条件を提供し、本開示内で使用することができる。
【0066】
図４Ａは、ゲート電圧の関数としての量子ドットにおける電子の最も低い４つの固有状態のエネルギー線図４００を示す。特に、図４Ａは、ゲート電圧ＶＧ（例えば、ゲート電極１０８に印加される電圧）の関数としてのスピンキュービットの概略エネルギー線図である。多電子量子ドット、例えば、量子ドット２００では、価電子２０４Ｅは、それぞれエネルギーＥ１及びＥ２（図４Ａで、水平線及び斜線としてそれぞれ示される）を有する準縮退軌道状態｜Ψ１＞及び｜Ψ２＞を占有する。例えば、５電子量子ドット２００では、軌道状態｜Ψ１＞及び｜Ψ２＞は、ｐｘ状態及びｐｙ状態に対応し得る。
【0067】
異なるスピンを有する２つの軌道状態のエネルギー、すなわち｜Ψ１,↑＞及び｜Ψ２,↓＞は、図４Ａに示すように、量子ドットの楕円度（ここでは、状態間のエネルギー差Δとして表される）を調節することによって、交差及び混成し得る。図４Ａの灰色の垂直破線は、反対のスピンを有する２つの軌道状態が混成するゲート電圧を示す。
【0068】
ゲート電極１０８及び／又は１２２の電圧を調節することにより、量子ドット２００の形状を変形し、軌道エネルギー差Δ＝Ｅ２－Ｅ１の変化をもたらす。この軌道エネルギー差Δが減少し、ＥＺ（所与の軌道状態における異なるスピン間のエネルギーギャップ）に近づくと、例えば、｜Ψ１,↑＞と｜Ψ２,↓＞との間の混成の効果が顕著になる。
【0069】
このような混成は、そのスピン状態に依存し得る価電子密度分布の変化をもたらす。図４Ｂでは、電子の密度分布は、以下の３つの状況における概略を記す。１つの状況では、ドットは縮退点Δ＝ＥＺから離れて構成され（左の列４０２）、第２の状況では、ドットは縮退点から離れて構成され、例えば、近くの共振器、又は近くのキュービットの移動からの追加の電界の影響を受け（中央の列４０４）、第３の状況では、ドットは、該縮退点の近くに構成され、スピン依存性電子密度分布を呈する（右の列４０６）。
【0070】
量子ドット電位の変化の下で電子密度が再配列するやり方は、電子分極率である。電子分極率は、縮退がない場合の電子のスピン状態には依存しないが、点Δ＝ＥＺの近くでスピン依存性になる。このようなスピン依存性電子分極率は、図４Ｂの右の列４０６に表される。
【0071】
したがって、左及び中央の列（４０２及び４０４）は、スピンがアイドル状態とみなされる状況であり、一方、右の列４０６は、本開示に記載されている制御技法を実行できる構成を表す。
【0072】
上述の調節技法は、５電子量子ドットに関して説明されてきたが、これはただの一例にすぎないことが理解されよう。上述の調節技法は、１つの価電子を有する任意の量子ドットで機能する。そのような量子ドットの例としては、Ｎ＝１、３、１３及び２５電子量子ドットが挙げられる。
【0073】
（較正方法）
図５は、以下に説明するアプリケーションのいずれかを実行する前に、量子処理素子（例えば、処理素子１００、１２０）を較正するために実行される例示的な方法５００を例解するフローチャートである。特に、方法５００は、本明細書に記載の様々なアプリケーションを実行するためのゲート電極の配置のバイアス構成を決定するために実行される。
図５は、以下に説明するアプリケーションのいずれかを実行する前に、量子処理素子（例えば、処理素子１００、１２０）を較正するために実行される例示的な方法５００を例解するフローチャートである。特に、方法５００は、本明細書に記載の様々なアプリケーションを実行するためのゲート電極の配置のバイアス構成を決定するために実行される。
【0074】
較正方法は、量子ドットが不対電子を含むように、１つ以上の電子が量子ドット（例えば、量子ドット２００）に装填される、ステップ５０２で開始する。電子は、前述の量子力学の規則に従って、閉じ込め電位２０２によって規定された離散的なエネルギー準位を充填する。例えば、多電子量子ドット２００は、５個の電子を有し得、不対電子は、最高の占有エネルギー準位、すなわちｐ型軌道を占有する。
【0075】
次に、ステップ５０４では、多電子量子ドット２００のエネルギー準位スペクトルが、励起状態分光法によって測定される。特に、励起状態のエネルギー、すなわち、最低空軌道２０６Ｄのエネルギーが、ゲート電極に印加されるバイアス電圧の関数として測定される。励起状態２０６Ｄが、最高の占有エネルギー状態２０６Ｃで縮退すると、価電子２０４Ｅは、いずれかの軌道を占有することができる。特に、例示的な量子ドット２００では、ｐｘ軌道及びｐｙ軌道は縮退しているため、価電子は、いずれかの軌道及びエネルギー準位を占有し得る。更に、電子が２つの縮退状態の間を移動するためのエネルギーコストは存在しない。この測定は、最高の占有エネルギー準位及び最低の空エネルギー準位の縮退をもたらすバイアス電圧の範囲を決定するために実行される。
【0076】
同様に、励起状態エネルギーは、エネルギー準位２０６Ｃから励起状態２０６Ｄまでの価電子の励起をもたらさない（ゲート電極に印加される）バイアス電圧の範囲を決定するために、バイアス電圧の関数として測定される。無励起の状態は、励起状態２０６Ｄと最高の占有エネルギー状態２０６Ｃとの間のエネルギーギャップが大きいときに生じる。これは、価電子を励起するエネルギーコストが大きすぎることを意味し、したがって、そのような遷移が生じる確率は無視できる。ステップ５０４では、これらの測定が、以下に開示される異なるアプリケーションのためにキュービットが動作すべき関心ある領域を決定する。これは、きめの粗い測定ステップとみなされる。
【0077】
次に、ステップ５０６では、磁場がキュービットに印加されて、不対電子のスピン状態のエネルギー準位を分離する。一実施例では、磁場強度は０．０１～１．５Ｔの範囲内である。
【0078】
次に、ステップ５０８では、ドットの形状の関数としての不対電子のスピン状態間の緩和速度が測定される。特に、この測定は、きめの粗い測定（すなわち、ステップ５０４）中に電圧バイアスの範囲内で決定された各電圧バイアスにおける不対電子のスピン状態の緩和時間を決定することによって行うことができる。縮退点付近では、緩和速度が最大値を示す。この較正ステップは、きめの細かい測定ステップと呼ばれる。
【0079】
これらの較正ステップは、所与のアプリケーションで使用するための所与のキュービットデバイスのための特別な動作点をともに識別する。
【0080】
上述の同じ方法は、量子ドット内の正孔ベースのスピンの場合に適合され得る。これは、正孔の励起スペクトルを制御するために、電圧の範囲及びドットの形状を調整することによって行われ、これらの励起の微視的性質は、価電子帯の異なるパラメータによって、伝導帯と比較して異なることを認識する。更に、谷の自由度の代わりに、正孔は、軽い正孔と重い正孔との間の結合に関連付けられた追加の帯を提示することになる（エネルギー準位の順序は、材料及び動作電圧の選択の詳細に依存する）。
【0081】
（アプリケーション）
（高速ＥＤＳＲ）
前述のように、量子ドットの波動関数を調節することは、最高の占有エネルギー状態に対する励起状態のエネルギーに影響を及ぼし、量子ドットシステムの内部エネルギー準位を効果的に制御する。これにより、量子ドット内の異なる対称励起状態の近接性を介して制御される、より高速のＥＤＳＲスピン回転が可能になる。
（高速ＥＤＳＲ）
前述のように、量子ドットの波動関数を調節することは、最高の占有エネルギー状態に対する励起状態のエネルギーに影響を及ぼし、量子ドットシステムの内部エネルギー準位を効果的に制御する。これにより、量子ドット内の異なる対称励起状態の近接性を介して制御される、より高速のＥＤＳＲスピン回転が可能になる。
【0082】
そのような静電的に調節可能な縮退の一実施例は、制御可能な楕円度を有するドットの場合である。しかしながら、谷励起又は相互作用誘起遷移などの、前述の他の実施例もまた有効である。
【0083】
５個の電子を有する略円形状の量子ドットの特定の実施例では、楕円形状３１０とより円形状３２０との間の量子ドットの波動関数形状を調節することによって、不対電子２０４Ｅは、制御可能な効率で２つの状態（ｐｘ軌道及びｐｙ軌道）の間を移動することができる。量子ドットの波動関数形状のこのような変化を適切な周波数で駆動することにより、共振及びラビ振動をより速い速度で達成する（すなわち、価電子２０４Ｅのスピンを反転させる）ことが可能である。更に、多電子キュービット内のラビ周波数は、スピン軌道状態｜Ψ１,↑＞と｜Ψ２,↓＞がほぼ縮退している（図４を参照のこと）、すなわち、Δ≒ｇμＢＢのとき、増強及び最大化され得る。式中、ｇは電子のｇ因子であり、μＢはボーア磁子であり、Ｂは印加された外部磁場である。
【0084】
したがって、上述の技法を使用することによって、マイクロ磁石を必要とせず、キュービットを電気的に制御することができる。軌道縮退３１０を伴わない量子ドットを形成するようにゲート電極電圧が選択される場合、ＥＤＳＲの増強は観察されず、シリコンの非常に弱いＳＯＣのみがスピンフリッピングに関与する。代替的に、量子ドット２００が、軌道縮退３２０を伴う構成の近くで調節されると、価電子２０４Ｅの追加の内部移動（この特定の実施例では、ｐｘ軌道とｐｙ軌道との間）は、ＥＤＳＲのラビ周波数の大幅な増強をもたらす。このように、高速ＥＤＳＲは、ｐｘ軌道及びｐｙ軌道が縮退するか、又はほぼ縮退するときに達成される。これは、静磁場の任意の値に対して生じるが、静磁場が変化した場合、正確なバイアス構成を再較正する必要がある。
【0085】
単一電子を有する量子ドットはまた、非調和性（すなわち、調和振動子であることからのシステムの逸脱）、界面の乱れ、及びひずみ効果を含む、量子ドットの他の内部特性からの調節可能な励起エネルギースペクトルも提示し得る。これらの量子ドットはまた、強化されたＥＤＳＲ制御を可能にする電圧バイアス構成を提示することになる。
【0086】
一実施例では、ラビ周波数の増強は、（図１Ｂに示されるシステム１２０と同様の）３－１占有率の二重ドットシステム内の３個の電子を有する多電子量子ドットで決定及び実証される。重要なことには、二重ドットシステムは、スピン回転のための電気駆動を容易にするためのマイクロ磁石を含まない。励起状態分光法を実施して、２つの量子ドット１１０と１２６との間の電極１２２に対する励起スペクトルを測定した（較正方法５００のステップ５０４を参照のこと）。
【0087】
図６は、（３、１）占有二重量子ドットシステムにおける２つの量子ドット１１０、１２６の間の交換ゲート電極１２２上の電圧（Ｖ）の関数としての本システムの励起状態エネルギーを示す。励起エネルギーがゼロに収束し、高速ＥＤＳＲに到達する点を示すことがわかる。この例では、電子の数は、ｓ軌道の励起谷状態とｐ軌道のより低い谷状態との間に縮退が生じることを示し、ｐｘ及びｐｙの縮退を利用した前の実施例とは異なる。
【0088】
図７Ａは、励起状態分光法によって識別された点の近くの、測定ラビ周波数を隣接量子ドット間のエネルギー離調（ｘ軸）及び交換ゲートバイアス（ｙ軸）の関数として示す。これは、最大ラビ周波数の領域を示しており、ラビ回転は「標準の」バイアス構成よりも約８倍速い。特に、この図は、エネルギー／軌道状態の縮退をもたらす交換ゲートバイアスに向かって交換ゲート電圧が増加するにつれて、ラビ周波数が増加することを示す。
【0089】
図７Ｂは、約１０ＭＨｚの速度でのコヒーレントラビ振動を示す、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）バースト時間の関数としての３電子量子ドットにおけるスピンアップを測定する確率を示す。バイアス構成により、より低い軌道エネルギーとより高い軌道状態のエネルギーとの間に縮退が作り出されたとき、ラビ周波数が最も高いことが観察された。
【0090】
図８Ａ及び図８Ｂは、最大ラビ周波数の点を中心とするマップを示す。特に、図８Ａは、スピンアップ確率を、マイクロ波周波数（ｘ軸）、及び３－１電子占有におけるキュービットデバイス１２０内の２つの量子ドット１１０及び１２６間の離調（ｙ軸）の関数として示す。図８Ｂは、スピン確率を、マイクロ波バースト時間（ｘ軸）、及び３－１電子占有におけるキュービットデバイス１２０内の２つの量子ドット１１０及び１２６間の離調（ｙ軸）の関数として示す。
【0091】
図８Ｃ～図８Ｅは、スピンアップ確率を、マイクロ波周波数（ｘ軸）及びマイクロ波バースト時間（ｙ軸）の関数として示す。特に、図８Ａに丸、四角及び星としてそれぞれ表された点で測定され、図８Ｃはラビ振動周波数１．５ＭＨｚを示し、図８Ｄはラビ振動周波数８．５ＭＨｚを示し、図８Ｅはラビ振動周波数約１７ＭＨｚを示す。これらのプロットは、この縮退条件によって提供される正確な高速化を決定する。
【0092】
これらの図から、２つの量子ドット１１０、１２６の間の離調を変えることによるラビ周波数の高速化が１０倍よりも大きいことがわかる。
【0093】
別の実施例では、ラビ周波数の増強は、マイクロ磁石の存在下で、多電子量子ドットで決定及び実証される。このシステムでは、ゲート電圧（Ｇ２）は、量子ドットの形状、及びリザーバに対するトンネル速度を変化させるために変わる。補償電圧が、第２のゲート（Ｇ１）に印加され、フェルミ準位（ＥＦ）に対して量子ドットのエネルギー準位を維持する。図９Ａは、そのような量子デバイスのエネルギーバンド図の概略図である。
【0094】
そのような量子デバイスのスピン緩和時間Ｔ１は、図９Ｂに示すように、パルス列を使用して測定される。Ｕ、Ｒ／Ｉ、Ｃ及びＷとしてマークがつけられた電圧バイアス構成は、各実験のアンロード、初期化／読み出し、制御、及び待機の点にそれぞれ対応する。
【0095】
更に、デバイスのラビ周波数は、図９Ｃに示すように、パルス列を使用して測定される。キュービット制御点は電荷安定線図内の破線に沿って変わり、電荷遷移に平行であり、電子占有はＮ＝１、５又は１３のいずれかである。
【0096】
図９Ｄ～図９Ｆは、それぞれ電子占有がＮ＝１、５又は１３のいずれかである量子ドットの実験結果を示す。図８Ｄ～図８Ｆの各々は、電子占有が異なる量子ドット間の比較用の非線形シュタルクシフト、スピン緩和時間（Ｔ１）及びラビ周波数を示す。
【0097】
図９Ｄの電子がＮ＝１の場合、図９Ｂ及び図９Ｃの破線に沿ってキュービット制御点が変化すると、キュービット共振周波数の非線形シュタルクシフトが観察される。特定の電圧レベルでは共振周波数が劇的にシフトし、結局、キュービット読み出しは達成できない。更に、図９ＤのＮ＝１の電子について、差動ＥＳＲ共振周波数（ｆ－ｆ０）の振幅とキュービット緩和時間Ｔ１との間に相関が観察される。更に、図９ＤのＮ＝１の電子について、ｆ－ｆ０とラビ周波数ｆＲａｂｉとの間にもまた相関が観察される。
【0098】
図９Ｅに示すＮ＝５の電子について、及び図９Ｆに示すＮ＝１３の電子について、最大ラビ周波数とシュタルクシフトの非線形性との間には、定性的相関がある。Ｔ１の低下と、高度に非線形なシュタルクシフトを有する領域との間の明確な相関は、前の文献と同様である。このことは、ゼーマン励起の近くの励起軌道又は谷状態の存在を示し、Ｔ１の減少をもたらす。
【0099】
仮想励起状態（谷又は軌道のいずれか）は、ＥＤＳＲにおいて不可欠な役割を果たすため、励起エネルギーは、キュービットラビ周波数に直接影響を与える。図９Ｃのパルス列を実行すると、Ｔ１の低下と相関があるｐ軌道及びｄ軌道のラビ周波数に対する増強がもたらされる。
【0100】
ゲート電圧（ΔＶＧ２）の変化の関数としてのラーモア周波数及びラビ周波数は、いくつかの電荷配置では非単調であり得、それぞれの極値の間に識別可能な相関がある。これらは、ｐスピン及びｄスピンが、ｓ軌道のものとは異なる性質の励起状態に結合されていることを示している。電荷遷移（又は、電荷安定線図における目に見える特徴）はなく、基底状態の配置が変化していないことを示す。なお、一部のラビ周波数の増強はまた、Ｎ＝１の電子配置でも観察されるが、Ｎ＝５及び１３の電子のものよりも桁の大きさが小さいことに留意すべきである。
【0101】
高速のラビ振動と長いスピン寿命との間にバランスが存在する有利なキュービット動作電圧の実施例は、垂直点線９０１、９０２及び９０３によって図９Ｃ～図９Ｄに示される。Ｎ＝１、５又は１３のいずれかの電子を有する量子ドットの対応するｆ０は、それぞれ、ｆ０＝４１．８３５ＧＨｚ、４１．８７０ＧＨｚ及び４１．８２６ＧＨｚである。
【0102】
【0103】
図１０Ｂは、４個の電子を含有する隔離された二重量子ドットの励起状態分光法を、ＶＪ及びドット間電圧バイアスΔＶＰの関数として示す。エネルギーＥＡ及びＥＢは、ドット間トンネル速度の段階的増加に適合され、基底状態及び第１の励起状態の発生を示す。
【0104】
キュービット制御は、量子ドットを変形させて、制御可能な軌道縮退を達成することによって達成される。図１０Ｃは、横方向Ｊゲートを使用する量子ドットの制御配列を示し、単なるスピンのみであるアイドル状態（例えば、（ｉ）及び（ｉｖ））、並びにスピン軌道混合である制御状態を含む。
【0105】
図１０Ｄは、マイクロ波周波数及びゲート電極電圧バイアスを変えながら、固定の電力及び持続時間のマイクロ波のバースト後のスピン反転を測定する確率からなる、パルス電子スピン軌道分光法（ＰＥＳＯＳ）マップ（ａ）を示す。バーストの電力及び持続時間は、純粋なスピン状態のπ回転に対応するように大まかに較正される。スピン光子結合がより強くなり、スピンが数π回転するにつれて、フリンジがゲート電圧の関数として現れる。追加のＰＥＳＯＳマップ（ｂ）～（ｅ）は、異なるデバイス、様々な材料、電荷配置、磁場、及び／又は他の変形について行われた測定から取得され得る。
【0106】
図１０Ｄに示す実施例では、（ｆ）～（ｊ）は、マップ（ａ）～（ｅ）からのデータを最良に再現する一連の４準位モデルを示し、様々な交差レジーム及びそれぞれのスピンダイナミクスへの影響を実証する。シミュレートＰＥＳＯＳマップ（ｋ）は、測定ＰＥＳＯＳマップに適合するように、電圧依存性ラビ周波数及びラーモア周波数を有する２準位システムとしてスピン軌道キュービットをモデル化することによって取得される。適合シミュレーションから抽出されたラビ周波数を（ｌ）により示す。また、ΔＶＰの関数として経時的な測定ラビ振動を示し、ラビ高速化（すなわち、（ｍ）として）、及びデバイスＤからの測定ラビシェブロンの解釈を確認し、キュービットは、（すなわち、（ｎ）として）ゲートＣＢ１を介して全電動で駆動される。
【0107】
図１０Ｅは、方形波で測定された外部磁場４００ｍＴでのＰＥＳＯＳマップ（ａ）を示す。４００ｍＴでは、縮退点に非常に近いところまで共振を追跡することができ、ラビ周波数のほぼ３桁の増加をもたらす。また、（ｂ）に示されるのは、（明確にするためにオフセットされた）７ＭＨｚの振動をもたらすＶＪ＝１．６２Ｖと、８１ＭＨｚの振動をもたらすＶＪ＝１．５８Ｖとにおけるラビ測定値である。（ＶＪ＞１．６５Ｖの場合、ラビ周波数は測定できないほど低くなる）。ガウス形パルスで測定した７００ｍＴにおけるＰＥＳＯＳマップもまた（ｃ）に示される。７００ｍＴでは、ラビ高速化はより控えめだが、キュービット周波数もまた電界変動の影響をそれほど受けず、４００ｍＴと比較して、全体的により正確なキュービット動作をもたらす。（ｄ）に示されるのは、ラビ周波数（四角）、ラビ減衰率（三角）、及びＱ因子（ひし形）であって、縮退点への近接に伴って増加し、Ｑ因子は、ΔＶＪ＝１３．６ｍＶで最適値に達する。ハーンエコー（拡張データを参照のこと）のコヒーレンス減衰率（交差）は、縮退点に非常に近い場合のみ増加する。
【0108】
図１０Ｆは、クリフォード集合（すなわち、（ａ））上のランダム化ベンチマークを介した単一キュービットゲート忠実度の測定値を示す。平均的な基本ゲート及び平均的なクリフォードゲートは、それぞれ、９９．９３％及び９９．８７％の忠実度を有する。（ｂ）ではまた、ゲートセットトモグラフィーで特徴付けられるように、個々の基本ゲートに関連付けられた忠実度及びエラーも示される。推定母集団は、それぞれの極性を有する領域として表示される。第１のパネルの左上位置の同心四角形は、１．０、０．１、０．０１、及び０．００１の母集団を表す。
【0109】
図１０Ｇは、（１、３）配置におけるデバイスＡのＰＥＳＯＳマップ（ａ）を示す。点線は、ラインカットの例を示す。プロット（ｂ）～（ｅ）は、（ａ）に示された点線で得られたＰｅｖｅｎ振動のラインカットを示す。トレースは、式４に基づいて、実験データ及び対応する適合線を示す。（ｆ）に示されるのは、電圧ΔＶＰの関数としての抽出されたラビ周波数ｆＲａｂｉである。適合のエラーバーもまた示される。（ｇ）及び（ｈ）に示されるのは、それぞれ、ＰＥＳＯＳマップに重畳させた適合キュービット分散体ｆ０、及び（ｂ）～（ｅ）に示される適合トレースに基づくシミュレートＰＥＳＯＳマップである。
【0110】
図１０Ｈは、適合中心周波数ｆ０（点）と、４準位モデルからの適合キュービット分散体（線）との両方を有するＰＥＳＯＳ（ａ）～（ｅ）を示す。研究の関連するキュービットのみが示される。（ｆ）～（ｊ）に示されるのは、対応するＰＥＳＯＳマップへ適合から抽出されたラビ周波数ｆＲａｂｉ、及び４準位モデルからの適合ラビ周波数である。（ｊ）の場合、エラーバーは、ｆＲａｂｉ＝－５ＭＨｚの下方に延びるが、ラビ周波数の実際の範囲を強調するために、示されないことに留意する。正のエラーバー及び負のエラーバーの両方が同じ大きさである。適合パラメータから得られた４準位エネルギー線図を（ｋ）～（ｏ）に示す。
【0111】
（スピン緩和）
明確に規定された初期状態にするためのキュービットの準備は、量子計算アルゴリズムの重要要件のうちの１つである。更に、再初期化は、フルスケールの量子計算動作にとって重要である。典型的には、初期化又は再初期化は、環境への残留結合によって決定される熱状態へのキュービットの緩和に依存する初期化プロトコルを通して達成される。そのような受動的なプロトコルは、本質的に低速である。
明確に規定された初期状態にするためのキュービットの準備は、量子計算アルゴリズムの重要要件のうちの１つである。更に、再初期化は、フルスケールの量子計算動作にとって重要である。典型的には、初期化又は再初期化は、環境への残留結合によって決定される熱状態へのキュービットの緩和に依存する初期化プロトコルを通して達成される。そのような受動的なプロトコルは、本質的に低速である。
【0112】
高速かつ正確なキュービットの初期化は、大規模な量子コンピューティングにおいて有利であり、これは、キュービットを初期化し、キュービットで演算を実行し、次の演算のためにキュービットを再初期化する必要があり得る。
【0113】
本開示のいくつかの態様によれば、量子ドットの形状を調節することは、高速初期化（及び再初期化）を可能にする。ＤＣバイアス電圧をゲート電極に印加することによって、スピン緩和時間が増大又は減少するように量子ドットの形状を調節することができる。例えば、図９Ｆの中央のグラフは、１３電子量子ドット１００の様々なゲート電圧（ｘ軸）に対して秒単位で測定されたスピン緩和時間Ｔ１（ｙ軸）のプロットを示す。スピン緩和時間は、－１００ｍＶ～約－１０ｍＶのゲート電圧に対してはほぼ一定のままであるが、２５ｍＶ付近のゲート電圧に対してははるかに高速である。１３個の電子を有する量子ドットを再初期化するために、ゲート電圧２５ｍＶをパルス的に印加することができ、これにより、閉じ込め電位が減少し、キュービットが縮退状態に近づき、その結果、約１０－５秒の時間スケールで電子スピンが緩和される。ゲート電圧の値は状況に依存し、特定のドット構成ごとに較正する必要があることに留意すべきである。
【0114】
（双極子の中距離結合）
半導体スピンキュービットは、現在、量子情報処理向けにエラー訂正アーキテクチャを想定するのに十分に高い性能指数に到達しているが、実行可能な量子コンピューティングプロセッサをシリコンにおいて実証され得る前に、いくつかの未解決の課題が残っている。そのような課題の１つは、プロセッサチップ上の量子ドットの配列に関する。キュービット間の交換相互作用は、量子ドット分離で指数関数的に減衰することが知られており、量子ドットは数十～数百ナノメートル離れて密接かつ正確に配列される必要があることを意味する。密集した二次元キュービットアレイに配置されている場合、制御及び読み出しに必要なゲートを、アレイの中心にある量子ドットに含めることは極めて困難になる。更に、量子ドット及び制御エレクトロニクスのそのような高密パッキングは、キュービットコヒーレンスに必要な極低温度と現在適合しない放熱速度を意味する。
半導体スピンキュービットは、現在、量子情報処理向けにエラー訂正アーキテクチャを想定するのに十分に高い性能指数に到達しているが、実行可能な量子コンピューティングプロセッサをシリコンにおいて実証され得る前に、いくつかの未解決の課題が残っている。そのような課題の１つは、プロセッサチップ上の量子ドットの配列に関する。キュービット間の交換相互作用は、量子ドット分離で指数関数的に減衰することが知られており、量子ドットは数十～数百ナノメートル離れて密接かつ正確に配列される必要があることを意味する。密集した二次元キュービットアレイに配置されている場合、制御及び読み出しに必要なゲートを、アレイの中心にある量子ドットに含めることは極めて困難になる。更に、量子ドット及び制御エレクトロニクスのそのような高密パッキングは、キュービットコヒーレンスに必要な極低温度と現在適合しない放熱速度を意味する。
【0115】
本開示の態様は、半導体デバイスの材料のＳＯＣ、又はマイクロ磁石の磁場不均一性を利用して、電子のスピンと量子ドット内の電子の軌道との間の結合を作り出す。量子ドット内の電子（又は複数の電子）の軌道自由度とスピン自由度との間の結合は、スピン間の制御可能な相互作用に関連するアプリケーションのために利用され得る。この種の相互作用は、量子情報処理にとって重要であり、万能量子計算に必要な２キュービット量子ゲートを含む、２つのキュービットのもつれた量子状態の制御を可能にする。
【0116】
キュービット－キュービット相互作用のためのスピンと軌道自由度との間の結合のこのようなアプリケーションの一実施例は、キュービット間の中距離の双極子結合である。中距離の双極子結合は、１つの量子ドット内の不対電子と他の量子ドット内の不対電子との間のクーロン反発に依存する。１つの量子ドット内の不対電子が、そのスピンに応じて異なる軌道配置を取得する場合、その不対電子と周囲の量子ドット内の不対電子との間にクーロン反発が作り出され得る（それらの電子のスピン状態に依存する）。これは、キュービットで条件付き演算を実行するために使用することができる。
【0117】
図１１は、中距離の双極子結合を介して相互作用する隣接キュービットを有する量子処理ユニット１３０の概略構造を示す。この例では、量子ドット１３６Ａ～Ｉの少なくともいくつかは、量子ドットの最高の占有状態にある１つの不対電子を有する量子ドットである。いくつかの実施例では、量子ドット１３６Ａ～Ｉは、同じ数の電子を有し得るが、一方、他の実施例では、量子ドットは、異なる数の電子を有し得、少なくともいくつかの量子ドットは、外部軌道に不対電子を有する。
【0118】
量子ドット内の最高の占有状態及び最低の空状態がほぼ縮退する特定のバイアス範囲の場合、量子ドット内の不対電子は、そのスピン状態に応じて異なる位置を占有することができる。例えば、キュービット１００４、すなわち、量子ドット１３６Ｄの価電子がスピンアップ状態にあるとき、それは、スピンダウン状態にあるキュービットを有する量子ドットと比較して、量子ドット電位において異なる位置を占有する（例えば、量子ドット１３６Ａを参照のこと）。これは、スピン依存性電子分極率の条件を作り出し、離れたキュービット間の双極子結合を介して中距離のスピン相互作用を容易にする。
【0119】
ゲート電極（１３２及び１３４）の配置に印加されるＤＣ電界／電圧バイアスの組み合わせは、閉じ込め電位の波形を変化させ、実際には、本開示の態様に従って、量子ドットの形状を調節する。一実施例では、量子ドット１３６Ｄの形状は、キュービット１００４がスピンアップ状態にあり、したがって、量子ドットの閉じ込め電位内の特定の位置を占有するように調節される。
【0120】
そのスピン状態に依存するキュービット１００４の位置のこのような変化は、周囲の量子ドット電子に対するより強いクーロン反発又はより弱いクーロン反発のいずれかをもたらす。この実施例では、対象キュービット１００６を除く全ての周囲のキュービットは、それぞれの内部軌道エネルギー準位が縮退とは程遠くなり、したがって、これらの他のキュービットのスピン状態が、このようなクーロン反発に反応しにくいように、ゲート電極の配置に印加されるＤＣ電圧バイアスを介して調節される。
【0121】
キュービット１００４及びキュービット１００６におけるスピンの結合は、対象量子ドットの閉じ込め電位２０２の波形を、キュービット電子波動関数の位置がスピン依存性になる点に調節することによって、達成することができる。この構成では、２つのキュービット間で中距離のスピン－スピン結合を達成することができる。例えば、第１のキュービットにおけるスピン反転は、電子の位置を変化させ、このことは、次にクーロン反発を通して近くの電子の位置をシフトさせるが、このことは、スピン依存性電子分極率に対応するバイアス領域に調節された対象キュービットにおけるスピン共振周波数の変化をもたらすだけである。
【0122】
制御又は対象となるのは、１つ以上のキュービットであり得、多キュービットゲートの実装を可能にすることが理解されよう。量子ドットが１つ以上の電子を有し得、本開示の範囲から逸脱することなく、量子ドットが同じ数の電子又は異なる数の電子を有し得ることもまた理解されよう。
【0123】
他の実施例では、量子ドット１３６Ｄと量子ドット１３６Ｆとの間に複数の量子ドットが存在し得、したがって、キュービット１００４とキュービット１００８との間の複数のキュービットをオフにすることができ、最も近い隣接物ではないチップ上の量子ドット間、あるいは最も近い隣接物だがドット間トンネリングを可能にするには互いに離れすぎているチップ上の量子ドット間の双極子相互作用を可能にする。このような相互作用のための特定の最大距離は、採用された材料スタックの誘電特性に依存する。
【0124】
キュービット１００４とキュービット１００８との間の複数のキュービットの各々は、キュービット１００４との双極子結合を経験し得る。この結合の強度は、キュービット１００４とキュービット１００８との間の量子ドットの形状を調節することによって制御され得、その結果、それぞれの相対的な内部エネルギー準位が縮退とは程遠くなり、したがって、双極子相互作用によってあまり影響されない。
【0125】
中距離の双極子結合を使用してキュービットで実行され得る演算の一実施例は、条件付きＺ回転であり、キュービットのうちの１つ（対象キュービット、例えばキュービット１００８）は、異なる量子ドット（制御キュービット、例えばキュービット１００４）内の電子のスピン状態に依存するＺ軸（量子化軸）の周りの回転を取得する。これは、制御キュービット１００４の２つの可能な量子状態（スピンアップ又はスピンダウン）が、ドットの閉じ込め電位ウェル内で異なる位置を有するという事実によって引き起こされる。結果として、制御電子１００４と対象電子１００８との間の反発は、制御キュービット１００４のスピン状態に依存する。対象キュービットのシュタルクシフト（スピン周波数の電界依存性）の結果として、これは、制御キュービットのスピン状態次第で、対象キュービットの歳差運動周波数間の差をもたらす。
【0126】
上記で報告されたスピン－スピン結合の説明は、量子ドット電位内の電子の位置が、スピン状態に応じて変化し得るという事実に基づいている。しかしながら、電子の位置におけるこれらのシフトはまた、電子の位置における物理的シフト（仮想遷移）の代わりに、電子の位置の量子揺らぎから生じ得る。これらの揺らぎが電子のスピンによって異なる場合、（このような長距離結合の強度の定量的変化のみによって）同じ効果が達成される。
【0127】
（スピン光子変換を通した長距離結合）
前述の距離の問題を克服するための別の技法は、量子コンピューティングシステムに複数のノードを含ませることであり、各ノードは、限られた数の量子ドットと、それぞれの関連付けられた回路とを含む。量子処理ユニット１３０は、そのようなノードの一例である。同様に、二重ドットデバイス１２０は別の例示的なノードである。ノードは互いに接続されてもよく、総合密度の問題を軽減しながらも、量子計算を実行することを可能にする。そのためには、１つのノードの外縁キュービットは、別のノードの対応する外縁キュービットと結合される必要がある。ノードを跨ってエッジキュービットを結合するための主要な技法は、マイクロ波共振器及びスピン光子結合を介してである。
前述の距離の問題を克服するための別の技法は、量子コンピューティングシステムに複数のノードを含ませることであり、各ノードは、限られた数の量子ドットと、それぞれの関連付けられた回路とを含む。量子処理ユニット１３０は、そのようなノードの一例である。同様に、二重ドットデバイス１２０は別の例示的なノードである。ノードは互いに接続されてもよく、総合密度の問題を軽減しながらも、量子計算を実行することを可能にする。そのためには、１つのノードの外縁キュービットは、別のノードの対応する外縁キュービットと結合される必要がある。ノードを跨ってエッジキュービットを結合するための主要な技法は、マイクロ波共振器及びスピン光子結合を介してである。
【0128】
しかしながら、電子スピンとマイクロ波光子との間の直接スピン光子結合は、電子スピンとマイクロ波光子との間の小さな磁気双極子相互作用のために、本質的に難題である。更に、これまで、スピン軌道結合を達成するために、マイクロ磁石又はナノ磁石がオンチップで製造されてきたが、これは、数百個のキュービットにスケールアップするときに新しい課題をもたらす複雑な製造プロセスである。
【0129】
電子スピンとマイクロ波光子との間の磁気双極子相互作用が小さいため、電子スピンとマイクロ波光子との間の電気的結合が望ましい。本開示の量子ドット形状の調節技法を使用することによって、キュービットと光子との間の電気的結合を作り出し、強化することができる。
【0130】
図１２は、マイクロ波共振器１１０６を通して、（例えば、２つの隣接量子処理ノード上で）２つの長距離量子処理素子１１０２及び１１０４を接続するための全体構造を示す。各量子処理素子１１０２、１１０４は、図１Ａに示すように単一量子ドットであってもよく、あるいは図１Ｂに示すように二重量子ドットであってもよい。図１２に示される実施例では、各量子処理素子１１０２、１１０４は単一量子ドットである。しかしながら、これは二重量子ドットによって容易に置き換えることができる。更に、マイクロ波共振器１１０６の両端は、処理素子１１０２、１１０４のゲート電極１１０８、１１１０に接続されている。
【0131】
共振器１１０６は電界を生成する。本開示のシステムでは、量子ドット１１１２、１１１４は、共振器１１０６のこの電界に結合され、共振器モードの周波数でそれぞれの閉じ込め電位の変調の影響を受ける。閉じ込め電位のこのような変調は、内部に閉じ込められた不対電子の波動関数の形状を変調し、（変調された形状に応じて）エネルギー準位間のギャップを減少又は増加させることができる。量子ドットの形状の変調が、縮退点に近いようなものである場合、スピン軌道結合（ＳＯＣ）が強化され、量子ドット１１１２又は１１１４のスピンが、超伝導マイクロ波共振器１１０６に直接結合されることを可能にする。
【0132】
（ノイズ耐性交換）
量子ドットの形状を調節する方法はいくつかの用途を有する。そのような例の１つは、２つのキュービット間のノイズ耐性交換相互作用を提供することである。
量子ドットの形状を調節する方法はいくつかの用途を有する。そのような例の１つは、２つのキュービット間のノイズ耐性交換相互作用を提供することである。
【0133】
従来、交換相互作用を制御するために、電圧バイアスを、量子ドットの蓄積に使用される電極（例えば、１０８、１２４）の間に配列された中間電極（例えば、１２２）に印加することができる。隣接量子ドットに閉じ込められた電子の場合、この中間交換電極上のバイアスを減少させることによって交換エネルギーを低減することができ、ここのことは、量子ドット間のポテンシャルエネルギーバリアを増加させる。逆に、交換電極バイアスを増加させることによって、交換エネルギーを増加させることができる。典型的には、このゲート上のバイアスは低く保たれ、例えば、２キュービット量子ゲート演算を実行する際、キュービットが相互作用する所望の短期間の間だけ増加する。
【0134】
隣接量子ドットの電子間の交換エネルギーは、交換電極電圧バイアスに指数関数的に依存する。この感度は、小電圧バイアスのための広範囲の交換エネルギーの制御を可能にするが、例えば、制御エレクトロニクスからの電圧バイアス信号に存在する任意のノイズは、交換エネルギーに大きな影響を与える。これは、量子演算の忠実度の低下及び量子計算上のエラーをもたらす可能性がある。したがって、改善が望ましい。
【0135】
本開示の態様は、２つの隣接キュービット間、及び特に、図１Ｂに示すように、２つの隣接多電子量子ドットに属する２つの電子スピンキュービット間のノイズ耐性交換を作り出すために利用することができる。
【0136】
いくつかの実施例では、二重量子ドットのうちの１つ（例えば、量子ドット１１０）からの価電子は、２つのキュービット演算が単一の量子ドットで実行されるように、スピンシャトル又は交換媒介結合を介して、第２の量子ドット（例えば、量子ドット１２６）に移動される。そのようなやり方で動作すると、相互作用に関与する電子が同じ物理的量子ドットに位置しているため、典型的には、交換相互作用を介して導入されるノイズが除去される。
【0137】
特定の実施形態では、図１Ｂに示されるデバイスと同様のデバイスを使用して、本開示の態様による、２キュービット演算を実行することができる。図１３は、２キュービット演算を実行するためのそのような例示的なプロセスを示す。本方法は、２つの多電子量子ドットに電子が装填され、各量子ドット内に一価の人工原子を形成するステップ１２０２で開始する。２つの量子ドット１１０、１２６は、同じ数の電子（例えば、３、５、１３、２５など）を有し得ることが理解されよう。しかしながら、これは必須ではない。代わりに、量子ドット１１０、１２６は、それらが最外軌道／シェルに１つの価電子をそれぞれ有する限り、異なる数の電子を有し得る（例えば、量子ドット１１０は５個の電子を有し得、量子ドット１２６は１３個の電子を有し得る）。図１４Ａは、二重量子ドットシステム１１０、１２６の概略図を示し、各ドットは５個の電子が装填され、キュービットは各量子ドットの価電子に符号化される。
【0138】
次に、ステップ１２０４では、２つの量子ドット１１０、１２６が満たされると、２つの量子ドット１１０、１２６間の離調は、（例えば、ゲート１０８、１２２及び１２４に適切なバイアスを印加することによって）調節されて、量子ドット１２６内の価電子１３０４を量子ドット１１０に移動させ、特に、量子ドット１１０の最外軌道に移動させることができる。図１４Ｂはこのことの概略図を示し、量子ドット１２６からのキュービット１３０４が、量子ドット１１０に移動されている。これにより、あまり高速ではない（負の１００ＭＨｚ～正の１００ＭＨｚで変わる）交換振動がもたらされ、したがって、良好な制御忠実度を提供する。
【0139】
その後、ステップ１２０６では、２つの電子１３０２、１３０４が存在する量子ドット１１０の形状は、交換結合の強度を高めるように変更され得る。これは、交換結合が、軌道間のエネルギー分離によって支配されるようになるからである。一実施例では、これは、対応するゲート（例えば、ゲート１０８）に好適な電圧を印加することによって達成され得る。量子ドット形状のこのような変更は、２つの電子１３０２、１３０４間の交換結合の強度に影響を与える。すなわち、量子ドット１１０の形状の楕円度が高いほど交換結合の強度が高く、量子ドットの形状の楕円度が低いほどキュービット間の交換結合の強度が低くなる。
【0140】
交換結合の特定の値を達成するために必要な電圧の特定の範囲は、材料スタックの制御不能な化学的な詳細と、対象量子ドットの周りのゲートに印加された全ての電圧によって設定される特定の状況に影響されるため、ケースバイケースで較正される必要がある。
【0141】
次に、ステップ１２０８では、２つのキュービット間で必要な演算（例えば、スワップ演算）が実行され得、ステップ１２１０では、交換結合ゲート１２２にもう一度好適な電圧を印加することによって、第２のキュービット１３０４を第２の量子ドット１２６に戻すことができる。
【0142】
したがって、量子ドットの不対電子の閉じ込め電位を操作することは、ＥＤＳＲを高速化し、より速いスピン緩和を可能にし、中距離及び長距離結合、並びにキュービット間のノイズ耐性交換結合を可能にするために使用され得る。
【0143】
本明細書に記載の例示的なスピンベースのシステム及び方法は、電子を利用する。しかしながら、本システム及び方法は、電子の代わりに正孔で同様に容易に実装され得ることが理解されよう。そのような場合、量子ドットは、制御可能な数の正孔を結合することによって形成され得、量子ドット内の不対正孔の楕円度又は閉じ込め電位は、ゲート電極の配置の電圧を変化させることによって変更され得る。
【0144】
また、本明細書に記載のシステム及び方法は、バリア材料として量子ドット及び二酸化シリコンを形成するための半導体材料としてシリコンを採用するが、本発明は、シリコン－ゲルマニウム合金、ヒ化ガリウム、ゲルマニウム、及び半導体材料及びバリア材料の他の組み合わせを含む他の材料で等しく実装することができることも理解されよう。
【0145】
本明細書に記載の方法及び量子プロセッサアーキテクチャは、計算を実行するために量子力学を使用する。プロセッサは、例えば、様々なアプリケーションに使用され得、強化された計算性能を提供し得、これらのアプリケーションは、とりわけ、情報の暗号化及び復号、高度な化学シミュレーション、最適化、機械学習、パターン認識、異常検出、財務分析及び検証を含む。
【0146】
多くの変形及び／又は修正が、広範に説明されているように、本発明の趣旨又は範囲から逸脱することなく、特定の実施形態に示すように、本発明に対して行われ得ることが、当業者によって理解されよう。したがって、本実施形態は、あらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図8C-8E】
【図9A】
【図9B-9C】
【図9D-9F】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図10F】
【図10G】
【図10H】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【国際調査報告】