[發明專利]基于自激勵自旋單電子電磁場效應晶體管的費米輕子量子位

在審

• 申請號: 201810062046.4
• 申請日: 2018-01-23
• 公開（公告）號: CN108470216A
• 公開（公告）日: 2018-08-31
• 發明（設計）人: 張洪濤;張澤森
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: G06N99/00
• 分類號: G06N99/00
• 代理公司: 武漢帥丞知識產權代理有限公司 42220
• 代理人: 朱必武;劉國斌

本發明涉及一種基于自激勵自旋單電子電磁場效應晶體管的費米輕子量子位，是量子計算處理器的基本單元。所述基于自激勵自旋單電子電磁場效應晶體管的費米輕子量子位，其特征在于，它的第一個主自由度分配給寫入操作，第二個主自由度分配給讀出操作，其中第一和第二主自由度之一是一個自旋電子電荷，而另外一個也是一個自旋電子電荷。本發明的量子位可以在保持長達150ms以上的Rabi干涉。本發明的晶體管是量子計算機處理器的關鍵元件，將開啟人類歷史上室溫量子計算的時代。本發明工藝簡單，易于集成，可用于開發大規模量子計算處理器芯片。

技術領域

本發明屬于計算機科學與技術領域，具體涉及一種基于摻雜納米線碳化硅多型互嵌晶體制造的自激勵自旋單電子電磁晶體管的室溫自旋電子量子位器件，是量子計算處理器的基本單元。

背景技術

這個元件構成生產量子位基本單元，屬于量子計算領域，也稱之為量子位。這個元件是一個物理器件，它只有兩個量子態，例如，基態和激發態，構成兩能級結構。它可由態矢量|0＞和|0＞標識，這個元件可處于相干疊加態，疊加態表示為：

a|0＞+b|1＞

這里系數a和b對應態歸一化后的任意值。

一個量子比特能夠由外部控制來操作，它可以執行單位矩陣U操作，這里指矩陣U這個量子比特的態空間。特別地，能制備這個量子比特的兩個量子態的任意相干疊加態a|0＞+b|1＞。這個量子位要具有足夠長的相干時間，完成操作，且與其它一個或多個量子位耦合，產生邏輯門。

量子位間滿足以上條件才能夠耦合和結合，執行量子邏輯操作，用于量子計算機處理器。目前，兩種量子位較為流行。一種是基于天然的量子客體，如一種離子或原子核自旋，它們的相干時間長達幾秒，可集成度低。另一類是基于裝配類，如采用微技術的超導體和電氣電路，容易集成但其相干時間非常短。

目前的量子計算機有光子技術、離子阱和超導體，前者不易集成，不能達到完成量子計算所需的量子位，后兩者必須在低溫下工作。為了克服這個缺陷，本發明著眼于制造室溫下能夠運行的量子位，采用微技術制造室溫下可運行的量子位，潛在地可以集成大規模集成量子位，滿足量子計算處理器需要。

此外，超導量子計算機的相干時間短，且量子位脆弱，與環境作用相消干。只能進行絕熱量子計算和特俗算法，這限制了超導量子計算機的用途。

發明內容

針對以上量子計算機相干時間短、低溫運行等不能制造手持式量子計算機且只能進行絕熱迭代等特殊算法限制，需要開發量子計算機的處理器的室溫單元器件。首先要有室溫下能夠運行的類似低溫下超導josephoson結量子效應的器件。但由于量子效應的脆弱性，在環境等噪聲的散射下，量子易失相，以至于相干時間非常短，這是建造量子計算機的一個障礙。那么發現能夠在室溫下強健的量子位是關鍵。碳化硅中存在有能夠在室溫下運行的的自旋電子相干現象，它在室溫下相干時間達毫秒級，參看文獻Abram.L.Faulk，Bob.B.Buckley，Greg Calusine，William F.Koehl，Viatcheslav V.Dobrivitski，AlbertoPoliti，Christian A.Zorman，Philip X.L.Feng，and David D.Awschalm.Polytypecontrol of spin qubits in silicon carbide.Nature communications，4：1819，2013。本發明以自激勵電磁晶體管室溫下在柵極和襯底施加電壓超過閾值的情況下，源漏極出現嚴格周期的各一半的順時針和逆時針循環電流(circulating current)，其源漏I-V曲線諧振顯示出相干量子動力學，這種量子位特性標志雙能級系統，可構造室溫穩定的量子位器件。

單只晶體管的電學特性可由以下方程描述：