КВАНТОВЫЙ РЕГИСТР НА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СОСТОЯНИЯХ ЭЛЕКТРОНОВ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДВОЙНЫХ КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ Российский патент 2024 года по МПК G06N10/20 

Изобретение относится к области наноэлектроники и может быть использовано для изготовления твердотельных квантовых компьютеров.

Создание масштабируемых устройств, реализующих принципы квантовых вычислений, является целью, обеспечивающей прорыв по многим направлениям современной науки. Квантовые компьютеры на основе квантовых процессоров позволят решать экспоненциально сложные задачи, недоступные классическим компьютерам. Задачи, в которых наблюдается превосходство квантовых вычислений над классическими вычислениями на суперкомпьютерах, уже близки к практической реализации [1].

Создание предлагаемых нами полупроводниковых квантовых регистров на основе современных, хорошо разработанных технологий кремниевых интегральных схем, открывает новые перспективы решения проблемы. Предлагаемые структуры могут быть изготовлены с помощью современной кремниевой технологии с критическим размером порядка 10 нм.

Наше предложение нацелено на создание квантового регистра на основе пространственных кубитов на двойных квантовых точках, управляемого исключительно импульсами электрического напряжения, что роднит его с существующими в настоящее время классическими интегральными схемами.

Описание устройства дается со ссылками на прилагаемые чертежи, где цифрами обозначены:

1 - нелегированный полупроводниковый провод, для ясности рисунка диэлектрики, окружающие провод, не приведены;

2 - управляющие электроды, отделенные от провода диэлектрической прослойкой; контактные площадки к управляющим электродам могут быть расположены по разные стороны от структуры и на разных уровнях металлизации;

3 - контакты к полупроводниковому проводу.

На чертежах представлены:

Фиг. 1. Схема, поясняющая формирование потенциального рельефа вдоль полупроводникового провода (1) с помощью подачи напряжений на управляющие электроды (2), расположенные сверху;

Фиг. 2. Вид волновых функций двух базовых состояний двойной квантовой точки: симметричное состояние (А) и антисимметричное состояние (Б). Вертикальная ось - значение волновой функции, две горизонтальные оси - пространственные координаты;

Фиг. 3. Вид сверху одиночного квантового регистра из двойных квантовых точек, состоящего из полупроводникового провода (1), окруженного диэлектриком с расположенной на нем системой управляющих электродов (2), причем отдельная двойная квантовая точка создается тремя электродами с одинаковым расстоянием между ними, а крайние электроды имеют одинаковую длину вдоль провода; эта структура периодически повторяется, а в середине промежутка между двойными точками и вблизи концов полупроводникового провода могут размещаться дополнительные управляющие электроды, при этом на концах полупроводникового провода формируются контакты (3) для пропускания тока по проводу;

Фиг. 4. Вид сверху коллективного квантового регистра из двойных квантовых точек, состоящего из нескольких одинаковых полупроводниковых проводов (1), окруженных диэлектриком с расположенной на нем системой общих управляющих электродов (2) с общими контактами (3) на концах полупроводниковых проводов.

При инициализации квантового регистра во впадинах созданного потенциального рельефа (Фиг. 1) локализуются одиночные электроны. Далее при работе регистра управление электронными состояниями и взаимодействием между ними осуществляется подачей импульсов напряжения на управляющие электроды. В частности, формируются базовые состояния электрона в двойной квантовой точке (Фиг. 2).

Одиночный квантовый регистр из двойных квантовых точек, размещенных по длине полупроводникового провода (1) представлен на Фиг. 3.

Как известно, для обеспечения долговременной работы квантового компьютера на каждый логический кубит в большом регистре требуется большое количество дополнительных физических кубитов, с помощью которых исправляются ошибки. Мы предлагаем с этой целью использовать коллективные кубиты, в которых существенно подавляются процессы декогеренции, что обеспечивается кулоновской зацепленностью составляющих кубитов. Это как раз отличает коллективный кубит от ансамблевого кубита, в котором составляющие кубиты являются независимыми. Достоинством ансамблевого кубита является наличие только простого усреднения. В нашем предложении процессы декогеренции, вызванные взаимодействием со случайными заряженными центрами и фононами, а также технологическим разбросом, ослабляются в коллективном кубите за счет компенсации воздействий на кубиты, составляющие коллективный кубит, поскольку их постоянная кулоновская зацепленность приводит к постоянному обмену их состояниями. Кроме того, имеет место эффект «расплывания ошибки». Если, например, отдельный кубит «испортился», т.е. вместо симметричного состояния возникло антисимметричное или наоборот, то за счет взаимодействия с соседними кубитами его состояние приходит к среднему состоянию коллективного кубита, и отвечающий ему регистр продолжает работать.

Кроме того, для коллективных кубитов упрощается процесс измерения конечного состояния регистра для считывания результата вычислений и увеличивается его точность. На Фиг. 4 представлен вид сверху коллективного квантового регистра из двойных квантовых точек.

Работы по использованию двойных квантовых точек для квантовых вычислений ведутся во ФТИАН с 1999 года.

Основываясь на идеях группы Б. Кейна (Австралия) [2], сотрудниками ФТИАН была предложена более реалистичная полупроводниковая структура на основе т.н. двойных квантовых точек [3-4]. Двойная квантовая точка - это две туннельно связанные квантовые точки с одним электроном. Отличительной особенностью двойных квантовых точек является значительное подавление процессов декогеренции по сравнению с одинарными квантовыми точками. Кроме того, у двойной квантовой точки два нижних уровня, используемые в качестве базовых для кубита, значительно отщеплены от верхних уровней, что препятствует влиянию последних на выполнение квантовых операций. Важным достоинством структуры двойной квантовой точкой является возможность управления туннельной связью с помощью напряжения на электроде, расположенном между точками.

Экспериментальная структура кубита на основе двойной квантовой точки была сформирована авторами работы [5]. Они использовали систему электродов над двумерным электронным газом, возникающим в гетероструктуре GaAs/AlGaAs. Авторы продвинулись до формирования системы из двух взаимодействующих двойных квантовых точек [6]. На этом исследования прекратились, поскольку предлагаемая ими технология не допускала масштабирования, т.е. увеличения количества кубитов в регистре. Указанная работа [6] выбрана нами в качестве условного прототипа. Наше предложение допускает масштабирование (Фиг. 2 и Фиг. 3) и обладает также другими преимуществам, отмеченными ниже.

Идея применения двойных квантовых точек получила развитие в работе [7], в которой было предложено использовать кулоновское взаимодействие между двумя двойными квантовыми точками, обеспечивающее выполнение квантовых операций. Коллективом предложены оригинальные способы применения непрекращающегося кулоновского взаимодействия. Оказывается, что его влияние на состояние взаимодействующих кубитов может быть сильным в условиях резонанса запутанности или, наоборот, слабым в условиях выведения из резонанса [8].

В работе [9] предложено в качестве отдельного кубита использовать две двойные квантовые точки. В процессе работы регистра в нем применяются только симметричные и антисимметричные состояния двойных квантовых точек, при этом вероятность нахождения электрона в квантовой точке постоянно равна 1/2.

Достоинством такого кубита является сравнительное простое осуществление квантовой операции SWAP (обмен состояниями) между соседними двойными квантовыми точками. Операция SWAP позволяет телепортировать состояние кубита вдоль регистра и осуществлять взаимодействие между любыми двумя кубитами в регистре. Кроме того, операция sqrtSWAP, т.е. квадратный корень из SWAP, лежит в основе квантовой двухкубитной операции CNOT, необходимой для реализации универсального квантового компьютера. Операция sqrtSWAP осуществляется путем подачи импульса половинной длительности на управляющий электрод.

Нами показано осуществление всех операций, необходимых для обеспечения работы универсального квантового компьютера.

Инициализация регистра осуществляется за счет охлаждения, при котором электроны заполняют определенные квантовые точки, после чего с помощью импульсов напряжения создаются базовые симметричные и антисимметричные состояния двойных квантовых точек (Фиг. 2).

Выполнение однокубитных операций осуществляется подачей напряжений на управляющие электроды, переводящие из симметричного состояния в антисимметричное или промежуточное.

Для измерения конечного состояния регистра необходимо прежде произвести декодирование при котором, из симметричного состояния электрон переходит в правую точку, а из антисимметричного состояния - в левую точку. Такое декодирование производится подачей импульсов напряжения на управляющие электроды [9].

После этого измерение состояния одиночного регистра осуществляется за счет поочередного измерения состояния отдельных квантовых точек - есть в них электрон или нет. Это измерение производится путем пропускания тока через канал при создании режима кулоновской блокады [10].

Измерение состояния коллективного регистра осуществляется путем поочередного «выбрасывания» электронов из определенных квантовых точек путем подачи на них отрицательного напряжения, приложенного к соответствующим управляющим электродам. При этом измеряется общий ток всех полупроводниковых проводов. Если ток есть - соответствующие квантовые точки были заполнены, если тока нет - квантовые точки были пустыми. При большом количестве параллельных регистров точность измерения тока увеличивается по сравнению с измерением одиночного регистра в режиме кулоновской блокады.

Таким образом, технические результаты настоящего изобретения заключаются в следующем:

1) предложенная конструкция квантового регистра на основе двойных квантовых точек обладает масштабируемостью, т.е. возможностью увеличения количества кубитов в регистре;

2) предложенная конструкция квантового регистра позволяет проводить квантовые вычисления исключительно путем подачи постоянных и импульсных напряжений на управляющие электроды;

3) квантовые измерения конечного состояния регистра для считывания результата осуществляются путем пропускания тока по полупроводниковому проводу;

4) в коллективном регистре, состоящем из нескольких полупроводниковых проводов с общими управляющими электродами и контактами, происходит существенное ослабление влияния внешних шумов и технологического разброса на точность выполнения квантовых операций;

5) в коллективном регистре можно производить макроскопическое измерение его конечного состояния путем пропускания тока, что увеличивает точность измерения.

Источники информации:

1. Arute, F., Arya, K., Babbush, R. et al. Quantum supremacy using a programmable superconducting processor. Nature 574, 505-510 (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5

2. В. E. Kane. A silicon-based nuclear spin quantum computer. Nature, 393, 133, 1998.

3. Л.E. Федичкин и др. Квантовые вычисления, использующие электронное туннелирование в квантовых точках со встроенным барьером. IV Российская конференция по физике полупроводников, Новосибирск. Тезисы докладов. С.233 (1999).

4. L. Fedichkin et al. Coherent charge qubits based on GaAs quantum dots with a built-in barrier. Nanotechnology 11, p.387 (2000).

5. T. Fujisawa, T. Hayashi, and Y. Hirayama. Controlled decoherence of a charge qubit in a double quantum dot. J. Vac. Sci. Technol. В 22, 2035, 2004;

6. G. Shinkai, T. Hayashi, Y. Hirayama, and T. Fujisawa. Controlled resonant tunneling in a coupled double-quantum-dot system. Appl. Phys. Lett. 90, 103116, 2007 (условный прототип)

7. S. Filippov, V. Vyurkov. Time evolution of two interacting qubits: entanglement and mean-field approach. Quantum Computers & Computing, Vol.9, pp.60-65, 2009.

8. S. Filippov, V. Vyurkov. Entanglement resonance. Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics - 2014", Moscow, Russia, October 6-10, 2014, Book of Abstracts, p.q2-02.

9. V. Vyurkov, S. Filippov, and L. Gorelik, Quantum computing based on space states without charge transfer. Physics Letters A 374 (2010) 3285-3291.

10. M. Rudenko, V. Vyurkov, S. Filippov, A. Orlikovsky. Quantum register in a field-effect transistor channel. Int. Conf. "Micro- and nanoelectronics - 2014", Moscow, Russia, October 6-10, 2014, Book of Abstracts, p.q1-05.

Изобретение относится к области квантовых вычислений, конкретно к изготовлению квантовых компьютеров по полупроводниковой технологии. Сущность предлагаемого технического решения заключается в следующем. В качестве квантового регистра предлагается формирование полупроводникового провода, окруженного изолятором, с нанесенными на него управляющими электродами. При этом на концах провода расположены контакты для пропускания тока, а в качестве коллективного регистра предлагается использовать несколько полупроводниковых проводов с общими управляющими электродами и контактами. Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является обеспечение масштабируемости универсального квантового компьютера на основе двойных квантовых точек, повышение устойчивости регистра к внешним шумам, а также увеличение точности измерения конечного состояния. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Квантовый регистр на основе пространственных состояний электронов в двойных квантовых точках, включающий в себя одиночный полупроводниковый провод с распределенными по его длине двумя или более двойными квантовыми точками, окруженный диэлектриком с расположенной на диэлектрике системой управляющих электродов, при этом каждая отдельная двойная квантовая точка формируется тремя электродами с одинаковым расстоянием между ними, а крайние электроды имеют одинаковую длину вдоль полупроводникового провода и такая структура периодически повторяется, а на концах полупроводникового провода формируются контакты для пропускания тока по проводу.

2. Квантовый регистр по п. 1, отличающийся тем, что формируется коллективный квантовый регистр, состоящий из двух или более одинаковых полупроводниковых проводов с двойными квантовыми точками с общими управляющими электродами и общими контактами на концах полупроводниковых проводов.