Квантові комп’ютери (стр. 3 из 5)

Саме головне полягає в тому, що в Sі/Ge ГС можна керувати ефективною масою донорного електрона: Борівський радіус зв’язаного електрона в Sі/Ge може бути набагато більший ніж у кремнії через малу ефективну масу в напружених ГС і більшу діелектричну проникність. Це знижує вимоги до літографії до рівня існуючої електронно-променевої літографії і навіть до рівня сучасної оптичної літографії (до 2000 А і більше).

3) Виключено J-затвори.

4) Для того, щоб прочитати кінцеві результати комп’ютерних розрахунків, пропонують детектувати заряд одинарних електронів. Передбачається, що це може бути зроблено звичайними польовими транзисторами при низьких температурах, що звільняє від застосування одноелектронних транзисторів.

3.2.Конструкція ЕСР кубіта

Розглянемо побудову комірки з двох кубітів даного квантового комп’ютера (рис.3.1) [5]. На кремнієвій підкладці вирощується буферний шар твердого розчину Sі/Ge, на якому послідовно розміщаються ще п’ять робочих шарів, склад і товщина яких визначається необхідною енергетичною діаграмою (ліва частина малюнка) і вимогами по ефективному впливі керуючих затворів. Основними шарами, у яких проходять квантові обчислення, є шари D₂ (другий донорний шар) і ''настройочний'' (tunіng) шар T. У шарі D₂ розміщаються атоми ³¹Р на відстані 2000 А друг від друга. Зв’язані з цими атомами електрони і виконують роль кубітів. Шари D₂ і T відрізняються складом і тому мають різний g-фактор: для шару D₂ він складає 1,995, а для шару Т - 1,563. Шари D₂ і T укладені між двома бар’єрними шарами В, що обмежують переміщення електрона у вертикальному напрямку.

Рис. 3.1. Побудова комірки ЕСР, що складається з двох кубітів:

а) Зміна ширини забороненої зони в епітаксіальній гетероструктурі Ge_1-хSі_х.

б) Поперечний розріз двохкубітної комірки.

Це обмеження визначається розривами зони провідності між шарами D₂ і В, і Т, і В, що рівні 20 меВ. Обмеження бар’єром відіграє важливу роль. Воно зберігає кубітні донорні електрони протягом довгого часу, не допускаючи втрат як носіїв, так і квантової інформації. Для цього товщина бар’єра складає 200 А, при цьому час життя порівнянний з часом спін-решіткової релаксації Т₁ (1 година). Обидва шари товщиною 400 А співпадають з границею, обмеженою напругами ≈ 1000 А для х = 0,23. Шари D і T мають товщину порівнянну з a_В,z - вертикальним Борівським радіусом і вносять слабкий вклад у виникаючі напруги. Дуже важливо, що між шарами D₂ і Т розрив зон дорівнює нулеві, так що немає перешкод для переміщення електрона із шару D₂ у шар Т. У шарі D₁ (перший донорний шар) перпендикулярно площини малюнка розміщені канали МДН транзисторів, що служать для реєстрації сигналу наприкінці обчислень і просторово розташовані під атомами фосфору.

3.3.Логічні операції з кубітами

3.3.1.Однокубітні операції. Сутність однокубітних операцій полягає в тому, що затвор може керувати частотою спінового резонансу. Так само, як і в квантових комп’ютерах Кейна, хвильова функція електрона за рахунок електростатичного притягання, викликаного напругою затвора, зміщується в сторону затвора, що змінює енергію надтонкої взаємодії і резонансну частоту. Але, крім того, хвильова функція електрона проникає в Т-шар зі складом Sі_0.15Ge_0,85, де g-фактор менший, ніж у D1 шарі, що викликає додаткову зміну енергії надтонкої взаємодії і резонансної частоти (Рис.3.2). На рисунку добре видно, що зміна напруги в середній частині діапазону дає можливість змінювати резонансну частоту в широких межах. Інтервал відповідний g-факторові рівному 1.563 використовується, як ми побачимо далі для організації двохкубітних операцій.

Рис.3.2. Схематична залежність спін-резонансної частоти від напруги на керуючому електроді кубіта .

3.3.2.Двохкубітні операції. Як уже говорилося, кубіти повинні бути розташовані досить далеко друг від друга, щоб не здійснювався взаємнийвплив і внесення фазових помилок. У той же час для двохкубітних операцій необхідно, щоб було можливе перекриття хвильових функцій і обмінна взаємодія між кубітами. У моделі Кейна перекриття досягалося шляхом введення J-затворів.

У даній роботі обмінна взаємодія досягається за рахунок зміни (збільшення) ефективного борівського радіуса в х-у - площині при зсуві хвильової функції із шару D₁ у шар Т.

Борівський радіус - a_в, водневоподібних донорів збільшується при зменшенні енергії зв’язку, що відбувається при збільшенні напруги на затворі (Рис.3.3).

Рис.3.3. Схема організації обмінної взаємодії між двома кубітами (двохкубітна операція). Притягання електронів до шару Sі 0.23 Ge 0.77 (В-бар’єр ), знижує їхню енергію Кулонівського зв’язку і підвищує перекриття їхніх хвильових функцій, дозволяючи проводити двохкубітні операції.

При цьому електрони можуть бути електростатично притягнуті до одного з бар’єрів, утворених В-шарами складу Sі0_0,23Ge_0,77, формуючи тим самим аналог модулюючо легованого каналу в x - y-площині. Енергія зв’язку істотно слабшає, коли електрони проводять велику частину часу поблизу бар’єра. Відповідно, кулонівський потенціал зменшується по формулі:

,

де r²=x²+y² є квадрат горизонтальної відстані від донора, а d - вертикальна відстань від бар’єра до донора. Таким чином, змінюючи d, можна зробити кулонівський потенціал як завгодно малим. Мала кулонівська енергія зв’язку означає великий борівський радіус, що, у свою чергу, дозволяє здійснювати перекриття хвильових функцій у x - y-площині уздовж бар’єра і двохкубітну обмінну взаємодію. Це стає можливим при переході від нехтувано малої обмінної взаємодії в напрямку до створення провідного металевого двовимірного газу шляхом зміни вертикальної відстані d. Усе це дозволяє проводити необхідні двохкубітні операції.

3.4.Детектування спінового резонансу МДН транзисторами

Як відзначив В. Кейн [4], основною проблемою при організації обчислень на основі керування спіновим станом кубіта, є детектування спіна не по його власному магнітному моменті, але на підставі принципу Паулі, тобто по зарядовому стані кубіта. Донорний центр може зв’язати другий електрон з енергією 1 меВ, при цьому цей другий електронмає протилежний першому спін. Таким чином, проблема детектування спіна переходить у проблему детектуваннязаряду.

Звичайні МДН транзистори з малими розмірами здатні виміряти одиночний заряд і, отже, і одиночний спін, але тільки при низьких робочих температурах (~1К), коли випадкові обертання спінів зникають, але чутливість до одиночного заряду зберігається.

Як показано на рис.3.3, канал МДНТ розташований під атомом ³¹Р. Таким чином, спіновий кубіт затиснутий між двома електродами - верхнім і затвором вимірювального транзистора. Таким чином, послідовні зарядові стани: іонізований донор, нейтральний донор і донор із двома електронами (D^- стан) легко ідентифікувати, вимірюючи струм каналу.

Два сусідніх транзистори (під сусідніми кубітами) мають роздільні чуттєві канали, так що вони можуть бути роздільно перевірені, або навіть включені диференціально. Регулюванням затворних електродів електрони обох донорів можуть притягтися на той же самий донор. Якщо вони знаходяться в синглетному стані, вони можуть об’єднатися, формуючи D^- стан на одному з двох іонів, але в триплетному стані вони не можуть займати той же самий донор. Оскільки одночасно формується D^- стан на одному транзисторі і іонізований донор D⁺ стан на іншому, те з’являється істотна зміна диференціального струму, достатня для того, щоб ідентифікувати синглетний стан. Для триплетного стану обидва донори залишаються нейтральними і диференціальний струм буде постійним. Оцінки показують, ми можемо очікувати зміни струму (заряду), зв’язані із синглетним станом, порядку декількох відсотків, що робить спін спостирігаємим.

3.5.Вплив орієнтації підкладки кремнію

Якщо використовувати шари Ge-Sі розчинів з орієнтацією в напрямку [001], то це дає ряд переваг. По-перше,енергія зони провідності змінюється від складу швидше для цього напрямку. Крім того, Х2 і L-зони перетинаються при складі приблизно 90% Ge замість 70%, як при орієнтації [111]. Це дозволяє вибрати тверді розчини з меншими напругами привисоті бар’єра близько 50 меB, що більш ніж у два рази більше, ніж для орієнтації [111]. Відповідно, бар’єрні шари призбереженні тієї ж імовірності тунелювання можуть бути тонші, а допустимі напруги значно вище.

Крім того, використання орієнтації [001] веде до збільшення ефективної маси в площині пластини і до зменшення її в напрямку росту. Еліпсоїд зони провідності розташований у напрямку [111] відхилений на 55° від напрямку [001] і в такий спосіб z-напрямок більше не збігається з важкою масою в напрямку [111]. Важка маса переноситься (частково)у х-у-площину, що приводить до зменшення Борівського радіуса. Однак, найлегша маса в Ge дорівнює найважчій масі в Sі. У результаті шари з великим вмістом Ge будуть завжди мати в в х-у-площині Борівський радіус більше, ніж у шарах з великим вмістом Sі. Крім того, шари з великим вмістом Ge будуть виконувати функції тунельних Т-шарів і бар’єрних В-шарів точно так же, як і для напрямку [111].