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在實(shí)驗(yàn)室中，按常規(guī)使用傳統(tǒng)的磁共振技術(shù)探測(cè)電子和核自旋的 大數(shù)(≥1023)。
可以測(cè)量單個(gè)電子和核的自旋的設(shè)備和技術(shù)有重要的應(yīng)用場(chǎng) 合。例如，可以對(duì)于單個(gè)原子或分子進(jìn)行磁共振實(shí)驗(yàn)，并能以很大的 精度測(cè)量局部環(huán)境(電和磁場(chǎng))。此外，單電子或核自旋在量子計(jì)算 機(jī)中可以用作量子比特(qubit)。在這種計(jì)算機(jī)中可能需要單自旋測(cè) 量設(shè)備來(lái)初始化和測(cè)量單自旋量子比特。
發(fā)明的概述
本發(fā)明的第一方面是一種用于單自旋測(cè)量的電子設(shè)備，包括：
一個(gè)半導(dǎo)體基片，在半導(dǎo)體基片內(nèi)至少引入一個(gè)給體原子，以產(chǎn) 生在給體原子的原子核處具有大的電子波函數(shù)的一個(gè)給體核自旋的 電子系統(tǒng)；
在基片上方的一個(gè)絕緣層；
在給體原子上方的絕緣層上的一個(gè)第一導(dǎo)電門(mén)，用于控制在給體 處的束縛電子態(tài)的能量；
在絕緣層上靠近第一導(dǎo)電門(mén)的一個(gè)第二導(dǎo)電門(mén)，用于在基片上產(chǎn) 生至少一個(gè)電子；
在使用中，單個(gè)電子束縛到給體上，給體原子弱耦合到在基片中 的至少一個(gè)電子上。對(duì)這些門(mén)進(jìn)行偏置，以使只有在所說(shuō)的至少一個(gè) 電子和給體的自旋處在允許移動(dòng)的相互關(guān)系中的條件下，在基片中的 所說(shuō)的這個(gè)至少一個(gè)電子能夠移動(dòng)到給體上；
安排應(yīng)該是這樣的：在設(shè)備中的電流的探測(cè)，或者甚至于是單個(gè) 電子的移動(dòng)，構(gòu)成了對(duì)單個(gè)自旋的測(cè)量。
通過(guò)按測(cè)量電容的方式探測(cè)該系統(tǒng)，例如通過(guò)使用單電子電容探 針，就可以探測(cè)到單電子的移動(dòng)，并且可以將任何金屬導(dǎo)線耦合到該 系統(tǒng)上，其中對(duì)于自旋極化的電子沒(méi)有特殊的要求。按另一種方式， 通過(guò)單電子隧道晶體管電容電測(cè)技術(shù)可以探測(cè)電荷移動(dòng)。
本發(fā)明的第一個(gè)例子是用于單電子自旋測(cè)量的一個(gè)電子設(shè)備，包 括：
一個(gè)半導(dǎo)體基片，在半導(dǎo)體基片內(nèi)至少引入一個(gè)給體原子，以產(chǎn) 生在給體原子的原子核處具有大的電子波函數(shù)的一個(gè)給體核自旋的 電子系統(tǒng)；
在基片上方的一個(gè)絕緣層；
在給體原子上方的絕緣層上的一個(gè)A導(dǎo)電門(mén)，用于控制在給體處 的束縛電子態(tài)的能量；
在絕緣層上A導(dǎo)電門(mén)的任一側(cè)的一個(gè)E導(dǎo)電門(mén)，用于在基片和絕 緣層之間的界面上產(chǎn)生自旋極化電子的儲(chǔ)存區(qū)；
在使用中，給體原子弱耦合到自旋極化電子的兩個(gè)儲(chǔ)存區(qū)，兩個(gè) 儲(chǔ)存區(qū)有相同的極化狀態(tài)，并且將要確定其自旋的一個(gè)單電子束縛到 給體上。對(duì)E導(dǎo)電門(mén)進(jìn)行偏置，以使電流在它們之間流動(dòng)，但只有給 體的自旋和儲(chǔ)存區(qū)內(nèi)的自旋極化狀態(tài)相反才成。在這樣一種情況 下，一次來(lái)自于儲(chǔ)存區(qū)之一的一個(gè)電子可能結(jié)合與束縛電子相同的量 子狀態(tài)(具有相反的自旋)，然后使給體離開(kāi)，到達(dá)另一個(gè)儲(chǔ)存區(qū)。 但是，當(dāng)電子全在相同方向極化時(shí)，由于來(lái)自于儲(chǔ)存區(qū)的電子不可能 進(jìn)入和束縛電子相同的量子狀態(tài)，所以沒(méi)有任何電流流動(dòng)。
在另一個(gè)例子中，有兩個(gè)給體，“A門(mén)“定位在這兩個(gè)給體中的每 個(gè)給體的上方，E門(mén)定位在兩個(gè)給體之間。電子束縛到兩個(gè)帶正電的 給體上，這兩個(gè)給體要分開(kāi)，但又要相互充分接近，以便在它們之間 有可能實(shí)現(xiàn)電子遷移，或交換耦合。
在使用中，把一個(gè)逐漸加大的勢(shì)能差加到兩個(gè)A門(mén)上，在某個(gè)點(diǎn) 在能量方面非常有利于兩個(gè)電子束縛到同一個(gè)給體上，但只有電子處 在相互單態(tài)才成?？梢栽谕獠刻綔y(cè)到這個(gè)單態(tài)發(fā)出的信號(hào)，即當(dāng)微分 偏置加到A門(mén)時(shí)在給體之間的電荷的移動(dòng)。
本發(fā)明的另一個(gè)例子是用于單個(gè)核自旋測(cè)量的一個(gè)電子設(shè)備，包 括：
一個(gè)半導(dǎo)體基片，在半導(dǎo)體基片內(nèi)至少引入一個(gè)給體原子，以產(chǎn) 生在給體原子的原子核處具有大的電子波函數(shù)的一個(gè)給體核自旋的 電子系統(tǒng)；
在基片上方的一個(gè)絕緣層；
在給體原子上方的絕緣層上的一個(gè)A導(dǎo)電門(mén)，用于控制在給體處 的束縛電子態(tài)的能量；
在絕緣層上A導(dǎo)電門(mén)的任一側(cè)的一個(gè)E導(dǎo)電門(mén)，用于在基片和絕 緣層之間的界面上產(chǎn)生自旋極化電子的儲(chǔ)存區(qū)。
其中，所有的電子自旋在同一方向極化，給體是具有自旋的一個(gè) 原子核，這個(gè)原子核通過(guò)超精細(xì)相互作用耦合到電子上。對(duì)E門(mén)進(jìn)行 偏置，以使電流在它們之間流動(dòng)，但只有核自旋一開(kāi)始就和電子自旋 相反才成。這個(gè)過(guò)程涉及來(lái)自于儲(chǔ)存區(qū)的電子，這個(gè)電子并且已和核 的自旋交換了它的自旋，從而使它的自旋和給體電子相反，并且能夠 與之一起形成一個(gè)單態(tài)。安排應(yīng)該是這樣的：在設(shè)備中對(duì)于單電子移 動(dòng)的探測(cè)構(gòu)成了在給體上核自旋的測(cè)量。
按另一種方式，由于電子向給體的遷移和離開(kāi)再一次涉及到兩個(gè) 自旋的翻轉(zhuǎn)，所以流過(guò)給體的電流保持核自旋極化狀態(tài)，電流的通和 斷取決于給體上核自旋的取向。
電子例如可通過(guò)在大磁場(chǎng)中的低溫極化。
在絕緣層上的A門(mén)的任一側(cè)的E導(dǎo)電門(mén)可以在基片和絕緣層之間 的界面上產(chǎn)生一個(gè)2維的電子氣。
在使用中，可以對(duì)E門(mén)進(jìn)行偏置，以使在給體原子的兩側(cè)只存在 |↓>電子。并且，可以對(duì)A門(mén)進(jìn)行偏置，使得EF為在給體處的雙電 子束縛態(tài)(D-態(tài))的能量。
基質(zhì)可以只包含自旋I＝0的原子核，例如主要由I＝0的同位素 構(gòu)成的并且提純到只含I＝0的同位素的第IV類半導(dǎo)體。Si對(duì)于半導(dǎo) 體基質(zhì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)頗具吸引力的選擇。給體可以是31P。
可以由在絕緣層的表面上形成圖形的金屬條形成這些門(mén)。在其上 方有門(mén)穿過(guò)的絕緣層中的一個(gè)臺(tái)階用于在給體原子附近定位門(mén)的電 場(chǎng)。
可以從這種測(cè)量中推論出一個(gè)指定自旋的系統(tǒng)的狀態(tài)，其條件只 是在測(cè)量發(fā)生前，這個(gè)系統(tǒng)的自旋狀態(tài)能量只發(fā)生絕熱變化，這樣就 可保證測(cè)量結(jié)果只由指定自旋的起始狀態(tài)確定。
本發(fā)明的另一方面是在一個(gè)雙電子系統(tǒng)中準(zhǔn)備自旋狀態(tài)的方 法，該方法包括如下步驟：
首先，操作A門(mén)，使第一自旋具有大于第二自旋的能量；
其次，向中間E門(mén)施加偏置，以接通兩個(gè)電子之間的交換耦合。 隨著交換耦合的增加，單個(gè)自旋指向向上的兩個(gè)狀態(tài)中的較低能態(tài)演 變成單態(tài)，這個(gè)單態(tài)在大的E處有最低的能量；
然后，使A門(mén)回到平衡，從而使基態(tài)就是一個(gè)嚴(yán)格的單態(tài)。
如果并且僅當(dāng)起始的自旋態(tài)是(↓↑)，測(cè)量才產(chǎn)生用于單態(tài)的 結(jié)果。在測(cè)量以后，通過(guò)反向絕熱操作的順序，可使兩個(gè)自旋返回到 它們的起始的狀態(tài)。
如果第一自旋是未知的，那么就要對(duì)自旋依次進(jìn)行兩次測(cè)量，第 二次測(cè)量是從第一自旋的自旋翻轉(zhuǎn)開(kāi)始的。如果并且僅當(dāng)在第一次測(cè) 量之前起始狀態(tài)是(↑↑)，第二次測(cè)量才產(chǎn)生單態(tài)結(jié)果。
本發(fā)明的例子可以引入一個(gè)量子計(jì)算機(jī)中，量子計(jì)算機(jī)具有：
一個(gè)半導(dǎo)體基片，在半導(dǎo)體基片內(nèi)至少引入一個(gè)給體原子，以產(chǎn) 生在給體原子的原子核處具有大的電子波函數(shù)的給體核自旋的電子 系統(tǒng)的一個(gè)陣列；
在基片上方的一個(gè)絕緣層；
在相應(yīng)的給體原子上方的絕緣層上的A導(dǎo)電門(mén)，用于控制在給體 的電子和給體原子的核自旋之間的超精細(xì)相互作用的強(qiáng)度，并且因此 控制給體原子的核自旋的共振頻率；
絕緣層上A導(dǎo)電門(mén)之間的一個(gè)J導(dǎo)電門(mén)，用于在相鄰給體原子的 核自旋之間通、斷電子的中間耦合；
其中，給體原子的核自旋是量子狀態(tài)，或“量子比特“，通過(guò)有 選擇性地向A門(mén)和J門(mén)施加電壓，并且有選擇地向基片施加交變磁 場(chǎng)，就可以量子信息存儲(chǔ)在這些量子狀態(tài)中并加以操作；
一個(gè)冷卻裝置，用于維持基片冷卻到足夠低的溫度。在操作中， 設(shè)備的溫度可以低于100毫開(kāi)氏溫度(mk)，典型的情況是在50mk的 范圍。這個(gè)設(shè)備是無(wú)損耗的，因此在計(jì)算期間能夠相當(dāng)容易地維持在 低溫狀態(tài)。損耗來(lái)自于在計(jì)算機(jī)外部的門(mén)的偏置，以及由交變磁場(chǎng)引 起的渦流，并在極化期間，和在計(jì)算的開(kāi)始和結(jié)束階段的核自旋探測(cè) 到之時(shí)發(fā)生。這些效應(yīng)決定了這種計(jì)算機(jī)的最小可操作溫度；
一個(gè)恒定磁場(chǎng)源，它具有足夠大的強(qiáng)度，從而可以破壞在給體處 電子的束縛態(tài)的兩重自旋簡(jiǎn)并度?？梢砸筮@個(gè)恒定磁場(chǎng)具有2個(gè)泰 斯拉的量級(jí)。這樣強(qiáng)大的磁場(chǎng)可以從超導(dǎo)體產(chǎn)生；
冷卻和磁場(chǎng)的組合可以保持電子只占據(jù)非簡(jiǎn)并的最低自旋能 級(jí)；
一個(gè)交變磁場(chǎng)源，該交變磁場(chǎng)具有足夠大的力，可以翻轉(zhuǎn)與這個(gè) 場(chǎng)共振的給體原子的核自旋，和一個(gè)向基片有選擇地施加交變磁場(chǎng)的 裝置；以及向A門(mén)和J門(mén)有選擇地施加電壓的裝置；
E門(mén)可以與J門(mén)分開(kāi)，或者E門(mén)可以加入J門(mén)中。
單電子隧道晶體管(SETT)是被開(kāi)發(fā)出來(lái)測(cè)量小電荷和小電荷移 動(dòng)的當(dāng)前最靈敏的器件。SETT包含一個(gè)小的“島形“電極，這個(gè)電極 定位在源極和漏極之間。僅當(dāng)島中的能級(jí)等于源極和漏極中的費(fèi)米能 級(jí)時(shí)，從源極到漏極才有電流流動(dòng)。當(dāng)在可以穿過(guò)電子的島上沒(méi)有可 以利用的任何能級(jí)時(shí)，就要產(chǎn)生“庫(kù)倫堵塞“。當(dāng)這個(gè)島極小，并且 當(dāng)這個(gè)島處在低溫下時(shí)，SETT的靈敏度極大。
金屬電子可以位于Si基片的頂部，所說(shuō)的基片包含位于電子下 方的P給體。在給體之間的電荷移動(dòng)改變了SETT島的勢(shì)能，因此改 變了SETT島的電導(dǎo)。當(dāng)對(duì)于這個(gè)門(mén)進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠脮r(shí)，SETT的電導(dǎo) 就構(gòu)成了一種測(cè)量，從這種測(cè)量并利用以上所給出的自變量就可以推 出電子或核自旋。
A門(mén)之一也可以是一個(gè)SETT島。在以上討論的設(shè)備用于測(cè)量和初 始化一個(gè)量子計(jì)算機(jī)中的自旋的情況下，可能需要多個(gè)SETT來(lái)同時(shí) 測(cè)量多個(gè)自旋。由于使用離開(kāi)自旋平面的電極可以測(cè)量一個(gè)兩維的自 旋陣列，并且陣列中的每個(gè)自旋都可由一個(gè)獨(dú)立分開(kāi)的SETT設(shè)備進(jìn) 行獨(dú)立地測(cè)量，所以用于自旋測(cè)量的電容耦合技術(shù)是極富魅力的。因 此，這種自旋測(cè)量方法非常適于未來(lái)的大規(guī)模的量子計(jì)算。
附圖簡(jiǎn)述
現(xiàn)在參照附圖描述本發(fā)明的例子，其中：
圖1是弱耦合到電子自旋極化儲(chǔ)存區(qū)的一個(gè)給體原子的示意圖。 在圖1a中，給體上的電子的極化方向和儲(chǔ)存區(qū)中的電子的極化方向 相反。通過(guò)穿過(guò)單態(tài)(↑↓-↓↑>)的隧道效應(yīng)，使電流可穿過(guò)給 體流動(dòng)。在圖1b中，給體上電子的極化方向和儲(chǔ)存區(qū)中的電子的極 化方向相同，不可能有電流流動(dòng)。
圖2是弱耦合到電子自旋極化儲(chǔ)存區(qū)的一個(gè)給體原子的示意圖。 在這種情況下，在儲(chǔ)存區(qū)中的電子和在給體上的電子的極化方向相 同。在圖2a中，給體原子核上的自旋的極化方向和所有的電子的自 旋方向相反，這就允許通過(guò)來(lái)自于儲(chǔ)存區(qū)的電子與給體原子核交換自 旋實(shí)現(xiàn)電流流動(dòng)，從而達(dá)到圖2b所示的情況。在圖2b中，給體原子 核的自旋已經(jīng)翻轉(zhuǎn)，并且一個(gè)電子已經(jīng)從儲(chǔ)存區(qū)被傳送到原子核，在 這里被反向極化成當(dāng)前的電子。已經(jīng)傳送到核的電子通過(guò)與給體原子 核再次交換自旋可能由這里離開(kāi)，到達(dá)另一個(gè)儲(chǔ)存區(qū)。這就導(dǎo)致圖2c 所示的情況，在這里一個(gè)電子已經(jīng)離開(kāi)左邊的儲(chǔ)存區(qū)到右邊的儲(chǔ)存 區(qū)，給體原子核已經(jīng)翻轉(zhuǎn)兩次，恢復(fù)到它的起始狀態(tài)。
圖3是定位在一個(gè)金屬勢(shì)壘下邊的一個(gè)半導(dǎo)體中的兩個(gè)給體的示 意圖，在金屬勢(shì)壘的上面定位用于探測(cè)這個(gè)自旋系統(tǒng)的金屬門(mén)。A門(mén) 定位在給體的上方，而E門(mén)定位在兩個(gè)給體之間。通過(guò)對(duì)給體上方的 A門(mén)進(jìn)行適當(dāng)?shù)钠?，在能量方面變得非常有利于兩個(gè)電子束縛到同 一個(gè)給體上，這個(gè)狀態(tài)只可能是單態(tài)。因此，通過(guò)A門(mén)的勢(shì)能的改變， 就可以探測(cè)到兩個(gè)給體之間的電荷移動(dòng)，并且利用探測(cè)結(jié)果可以推論 出電子的自旋。
圖4是在一個(gè)磁場(chǎng)中一個(gè)雙電子系統(tǒng)的能級(jí)隨交換耦合E而變化 的曲線。虛線是未耦合的電子的自旋劈裂能量相等時(shí)的能級(jí)，實(shí)線則 是一個(gè)電子的自旋劈裂能量大于另一個(gè)電子的自旋劈裂能量時(shí)的能 量。箭頭加上虛線則表示從|↓↑>態(tài)變?yōu)樽孕龁螒B(tài)|↑↓-↓↑> 的一個(gè)絕熱步驟順序。
圖5是一個(gè)能級(jí)圖，表示兩個(gè)電子和兩個(gè)原子核的耦合系統(tǒng)的16 個(gè)能級(jí)，用于每個(gè)原子核的超精細(xì)耦合常數(shù)相等的情況。圖中對(duì)原子 核相對(duì)于電子的能級(jí)劈裂作了極大的夸張。在E＝0，4個(gè)最低的能級(jí) 對(duì)應(yīng)于|↓↓>電子狀態(tài)。在該耦合系統(tǒng)中，隨著能量的增加，有兩 個(gè)狀態(tài)演變成三重態(tài)，有兩個(gè)狀態(tài)演變成單態(tài)。
圖6是一個(gè)能級(jí)圖，表示在測(cè)量前核自旋態(tài)的絕熱變化過(guò)程，這 一變化過(guò)程是通過(guò)增加一個(gè)核自旋相對(duì)于另一個(gè)核自旋的對(duì)于電子 的超精細(xì)耦合程度而實(shí)現(xiàn)的。左邊的核自旋狀態(tài)確定了這個(gè)系統(tǒng)是否 演變成電子單態(tài)。
圖7a是一個(gè)示意圖，表示一個(gè)單電子隧道晶體管(SETT)的源 極、漏極、柵極、和島區(qū)的安排。圖7b表示當(dāng)在島區(qū)沒(méi)有可以利用 的等于源極和漏極中的費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)時(shí)的庫(kù)倫阻塞效應(yīng)。當(dāng)在島區(qū) 中有等于源極和漏極中的費(fèi)米能級(jí)的能級(jí)時(shí)，導(dǎo)通發(fā)生。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳方式
泡利不相容原理(兩個(gè)電子只有具有相反的自旋才能占據(jù)相同的 量子狀態(tài))體現(xiàn)在由兩個(gè)或多個(gè)電子構(gòu)成的系統(tǒng)里。本發(fā)明的某些例 子依靠這個(gè)泡利不相容原理通過(guò)探測(cè)電荷進(jìn)、出兩個(gè)電子的系統(tǒng)的移 動(dòng)來(lái)測(cè)量自旋。由于泡利不相容原理，兩個(gè)電子的系統(tǒng)的能級(jí)根據(jù)自 旋是對(duì)齊的(三重態(tài))還是相反的(單態(tài))而有所不同。
為了清楚起見(jiàn)，下面的討論只局限于在凝聚性物質(zhì)系統(tǒng)中碰到的 最簡(jiǎn)單的兩個(gè)電子的系統(tǒng)：束縛到單個(gè)正電荷(當(dāng)這個(gè)正電荷是半導(dǎo) 體中的一個(gè)給體時(shí)，這個(gè)正電荷稱之為D-中心)的兩個(gè)電子的系統(tǒng)。 然而，應(yīng)該說(shuō)明的是，任何一個(gè)雙電子系統(tǒng)都有類似的性質(zhì)。
一般來(lái)說(shuō)，只有D-中心的束縛態(tài)才是單態(tài)，在這里電子自旋是 反向的；自旋對(duì)齊的三重態(tài)是連續(xù)的能譜。在Si的特定的凝聚性物 質(zhì)系統(tǒng)中，由兩個(gè)束縛到一個(gè)P給體上的單態(tài)電子構(gòu)成的D-中心的 束縛態(tài)能量是-1.7meV。
單電子自旋閥
圖1表示的是用于單自旋測(cè)量的或許是最簡(jiǎn)單的概念性設(shè)備。單 個(gè)的給體原子1弱耦合到經(jīng)自旋極化的電子2和3的兩個(gè)儲(chǔ)存區(qū)。例 如，可以在一個(gè)大的磁場(chǎng)(B)中，并且在低溫(T)下極化這些電子。 將要確定其自旋的單電子4束縛到給體上。為了操作這個(gè)設(shè)備，使給 體D-中心的能量與儲(chǔ)存區(qū)的費(fèi)米能量(EF)相等，或者使給體D-中 心的能量與儲(chǔ)存區(qū)的費(fèi)米能量共振。由于經(jīng)過(guò)給體的電荷遷移必然要 穿過(guò)單重D-態(tài)，所以只在給體上的自旋和儲(chǔ)存區(qū)中的自旋極化狀態(tài) 相反的條件下才有電流流動(dòng)，如圖1a所示的。當(dāng)條件合適，來(lái)自于 一個(gè)儲(chǔ)存區(qū)的一個(gè)電子可能變?yōu)榕c束縛電子相同的量子狀態(tài)(具有相 反的自旋)，然后離開(kāi)給體到另一個(gè)儲(chǔ)存區(qū)。當(dāng)電子都在相同方向極 化，沒(méi)有任何電流流動(dòng)，因?yàn)閬?lái)自于儲(chǔ)存區(qū)的電子不可能進(jìn)入相同的 量子狀態(tài)成為束縛電子，如圖1b所示的。在該設(shè)備中，對(duì)于電流流 動(dòng)的探測(cè)構(gòu)成了給體上單電子自旋的測(cè)量。
這里假定：不存在任何機(jī)制能“翻轉(zhuǎn)”起始與給體電子指向相向 的儲(chǔ)存區(qū)電子的指向，因而這些電子可以占據(jù)D-中心并且橫向通過(guò) 儲(chǔ)存區(qū)之間。如果給體是具有自旋的一個(gè)原子核，這個(gè)原子核通過(guò)超 精細(xì)相互作用耦合到電子上，這種過(guò)程就可能發(fā)生，并且可以允許在 適宜的環(huán)境下測(cè)量核自旋。這個(gè)過(guò)程涉及到來(lái)自于儲(chǔ)存區(qū)的并且和核 自旋發(fā)生交換的電子，使這個(gè)電子的自旋和給體電子的自旋相反并且 與之一起形成一個(gè)單態(tài)。在圖2a中，所有的電子自旋都在同一方向 極化(再次地，在低T和大B的環(huán)境下進(jìn)行)?，F(xiàn)在，電流可以穿過(guò) 這個(gè)接合部的唯一條件是核自旋在起始時(shí)就和電子自旋相反。這個(gè) “單個(gè)核自旋閥“說(shuō)明，在類似于測(cè)量單電子自旋的設(shè)備的設(shè)備中是 如何測(cè)量通過(guò)超精細(xì)相互作用耦合到電子上的原子核的自旋的。
使用電容技術(shù)的單自旋測(cè)量
這些單自旋閥設(shè)備雖然已經(jīng)說(shuō)明過(guò)了，但仍有幾個(gè)實(shí)際缺陷。尤 其是，它們需要極化電子自旋的儲(chǔ)存區(qū)。如果這些儲(chǔ)存區(qū)被自旋錯(cuò)誤 的電子的微小污染，都將導(dǎo)致設(shè)備失靈。還有，需要儲(chǔ)存區(qū)，可能極 大地限制了它們?cè)谀承?yīng)用中的價(jià)值。如果探測(cè)的是一個(gè)封閉的系 統(tǒng)，則這兩種限制都不成問(wèn)題，因而完全不需要往來(lái)于系統(tǒng)的自旋遷 移。如果用電容方法探測(cè)該系統(tǒng)，任何金屬線都可耦合到系統(tǒng)上，對(duì) 于自旋極化的電子無(wú)特殊要求。
再次地，為了簡(jiǎn)單清楚起見(jiàn)，把討論局限于雙電子系統(tǒng)?，F(xiàn)在考 慮束縛到兩個(gè)帶正電的給體上的兩個(gè)電子，這兩個(gè)電子相互分開(kāi)又充 分靠近，以使在給體之間可能進(jìn)行電子遷移或交換耦合。這些給體定 位在一個(gè)半導(dǎo)體5中勢(shì)壘材料6的下方，在其上部定位用來(lái)探測(cè)自旋 系統(tǒng)的金屬門(mén)，如圖3所示。A門(mén)7定位在給體的上方，而E門(mén)8定 位在給體之間。
如果向兩個(gè)A門(mén)施加一個(gè)電位差，這樣一個(gè)系統(tǒng)就可測(cè)量自旋。 如果加上了這樣一個(gè)電壓，在某一點(diǎn)變?yōu)樵谀芰可戏浅Ｓ欣趦蓚€(gè)電 子束縛到同一個(gè)給體上，即D-態(tài)。然而，如以上所述的，只在電子 是相互單態(tài)，D-束縛態(tài)才是可能的。通過(guò)單電子隧道晶體管電容電 測(cè)技術(shù)可以在外部探測(cè)這個(gè)單態(tài)發(fā)出的信號(hào)，即向A門(mén)加上一個(gè)微分 偏置時(shí)在給體之間的電荷移動(dòng)。
用于測(cè)量的自旋態(tài)的準(zhǔn)備
這個(gè)自旋探測(cè)方法能夠區(qū)分一個(gè)雙自旋系統(tǒng)的單態(tài)和三重態(tài)，但 不能測(cè)量各個(gè)自旋狀態(tài)。如果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了適宜的準(zhǔn)備，就有可能從 這一測(cè)量推論出一個(gè)指定自旋系統(tǒng)的狀態(tài)。這里，“準(zhǔn)備“的意思是 在測(cè)量發(fā)生之前對(duì)于自旋態(tài)能量進(jìn)行絕熱變化，以保證測(cè)量結(jié)果只由 一個(gè)指定自旋的起始狀態(tài)確定。
如果電子的g因子對(duì)于電子的位置是敏感的，或者如果磁場(chǎng)B存 在梯度，則可以緩慢地改變電子自旋能量，所說(shuō)的g因子是有關(guān)所加 的直流磁場(chǎng)和自旋能量劈裂的關(guān)聯(lián)的系數(shù)。控制對(duì)于中間E門(mén)所加的 偏置，也控制了電子的交換耦合。
為了說(shuō)明這個(gè)方法，考慮如圖4所示的兩個(gè)自旋，左或L及右或 R，L指向下方，R是待定的自旋，換言之從|↓？>開(kāi)始。
首先，操作A門(mén)，以使自旋L的能量大于自旋R的能量，于是劈 裂了↑↓-↓↑簡(jiǎn)并度，使L(↓)R(↑)具有較低的能量。接下去， 接通在兩個(gè)電子之間的交換耦合。隨著交換耦合的增加，兩個(gè)狀態(tài)中 單個(gè)自旋向上的較低能量態(tài)演變成單態(tài)，它在大E的情況下將有最低 的能量。然后使A門(mén)回到平衡態(tài)，以使接地狀態(tài)就是嚴(yán)格的單態(tài)。如 果并且僅當(dāng)起始的自旋態(tài)是L(↓)R(↑)時(shí)，那么測(cè)量將得到用于 單態(tài)的結(jié)果。在測(cè)量之后，通過(guò)反向絕熱操作的順序就可以使這兩個(gè) 自旋返回到它們的起始的狀態(tài)。
如果自旋L的狀態(tài)是未知的，那么要依次對(duì)自旋進(jìn)行兩次測(cè)量， 第二次測(cè)量要從對(duì)于自旋L進(jìn)行自旋翻轉(zhuǎn)開(kāi)始。(由于A門(mén)控制自旋 的共振頻率，所以可以有選擇地使L自旋與一個(gè)外部AC磁場(chǎng)共振， 或者使L自旋的狀態(tài)反轉(zhuǎn)。)如果并且僅當(dāng)在第一次測(cè)量之前起始狀 態(tài)是L(↑)R(↑)，第二次測(cè)量才產(chǎn)生單態(tài)結(jié)果。對(duì)于R(↑)，不 管自旋L的起始狀態(tài)是什么，都將得到兩次測(cè)量之一的單態(tài)結(jié)果。
對(duì)于核自旋測(cè)量的絕熱處理方法
如果電子通過(guò)超精細(xì)相互作用耦合到給體原子核，則核自旋態(tài)可 以確定電子自旋的測(cè)量結(jié)果。這是當(dāng)交換相互作用允許具有相同能量 的電子的|↑>態(tài)和|↓>態(tài)重疊從而使共振的電子-原子核自旋 發(fā)生交換時(shí)實(shí)現(xiàn)的。在上述的這種情況下，交換可能發(fā)生在|↓↓> 和|↑↓-↓↑>能級(jí)發(fā)生交叉的時(shí)候。
在圖5中，針對(duì)兩個(gè)微區(qū)的超精細(xì)相互作用和塞曼能量(核和電 子自旋的劈裂能量)相等的情況，繪出了兩個(gè)電子和兩個(gè)核的耦合系 統(tǒng)的16個(gè)分開(kāi)的能級(jí)隨交換相互作用E而變的曲線。(在這個(gè)附圖 中，為了清楚起見(jiàn)，核能級(jí)劈裂的幅度相對(duì)于電子能級(jí)劈裂幅度極大 地夸大了。)如果兩個(gè)電子在起始時(shí)處在它們的基態(tài)(L(↓)R(↓))， 則兩個(gè)最低能量的核自旋能級(jí)要變成單態(tài)，而兩個(gè)最高能量的核能級(jí) 要變?yōu)槿貞B(tài)。
如果由于A門(mén)的偏置使核自旋的簡(jiǎn)并度遭到破壞，如圖6針對(duì)電 子自旋所示的，這個(gè)系統(tǒng)是否變成單態(tài)完全由具有較大劈裂能量的核 自旋的起始自旋態(tài)決定。因此，對(duì)于耦合的電子-核自旋系統(tǒng)，一次 測(cè)量就可確定一個(gè)選定的核自旋的自旋態(tài)。在圖6中，實(shí)線代表電子 能級(jí)隨E的變化。虛線代表最低能量的耦合的電子-核能級(jí)隨E的變 化。電子能級(jí)的情況如圖4所示。
使用單電子隧道晶體管測(cè)量自旋態(tài)
單電子隧道晶體管(SETT)在當(dāng)前是開(kāi)發(fā)用來(lái)測(cè)量小電荷和小電 荷移動(dòng)的最靈敏的器件。SETT包含一個(gè)定位在源極10和漏極11之間 的小型“島狀“電極9，如圖7a所示。僅當(dāng)島區(qū)9中的能級(jí)等于源極 10和漏極11中的費(fèi)米能級(jí)時(shí)，從源極10到漏極11才有電流流過(guò)， 如圖7b所示。當(dāng)在電子可以穿過(guò)的島區(qū)上沒(méi)有可以利用的能級(jí)時(shí)， 產(chǎn)生如圖7c所示的“庫(kù)倫阻塞“。當(dāng)島區(qū)9極小并且當(dāng)該器件處在 低溫時(shí)，SETT將極靈敏。
對(duì)于自旋探測(cè)，容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，其中包括如圖3所示的3個(gè)門(mén)的 結(jié)構(gòu)，其中的A門(mén)之一也是SETT的島區(qū)。在上述的器件是用于測(cè)量 和初始化量子計(jì)算機(jī)中的自旋的情況下，可能需要多個(gè)SETT來(lái)同時(shí) 測(cè)量多個(gè)自旋。由于可以使用位于自旋平面外的電極測(cè)量自旋的一個(gè) 兩維的陣列，并且該陣列中的每個(gè)自旋都可由一個(gè)獨(dú)立分開(kāi)的SETT 器件分開(kāi)地測(cè)量，所以用于自旋測(cè)量的電容耦合技術(shù)是極富魅力的。 因而，對(duì)于自旋測(cè)量的這種處理方法非常適用于未來(lái)的大規(guī)模的量子 計(jì)算技術(shù)。
這樣一種量子計(jì)算機(jī)可能包括一個(gè)Si的基片，在基片中在位于 表面下方200處引入給體原子31P的一個(gè)陣列。給體原子分開(kāi)的距離 小于200。A導(dǎo)電門(mén)放在Si基片上方的SiO2上，每個(gè)A門(mén)都在一個(gè) 對(duì)應(yīng)的31P原子的正上方。E導(dǎo)電門(mén)放在每個(gè)單元之間的絕緣層上。
給體原子的核自旋是用于存儲(chǔ)和操作量子信息的量子狀態(tài)或“量 子比特“。A門(mén)控制核自旋量子比特的共振頻率，E門(mén)控制在相鄰核 自旋之間的電子中間耦合。
在操作中，該器件冷卻到T＝50mK的溫度。還有，施加一個(gè)B＝ 2T的恒定磁場(chǎng)以劈裂兩重的自旋簡(jiǎn)并度。組合的效果是，電子只占據(jù) 非簡(jiǎn)并的最低自旋能級(jí)。電子在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中必須保持在零熵基 態(tài)。
在A門(mén)加到這個(gè)電子-給體系統(tǒng)的電場(chǎng)沿離開(kāi)這個(gè)原子核的方向 移動(dòng)了電子波函數(shù)包絡(luò)，并且減小了超精細(xì)相互作用?？拷麬門(mén)的給 體核自旋-電子系統(tǒng)像一個(gè)電壓控制的振蕩器那樣發(fā)揮作用：可從外 部控制核自旋的進(jìn)動(dòng)，并且可以有選擇地使自旋與外部施加的交變磁 場(chǎng)BAC＝10-3T發(fā)生共振，從而可以實(shí)現(xiàn)核自旋的任意旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)給體充分相互靠近時(shí)，從電子自旋交換相互作用將產(chǎn)生兩個(gè)給 體-電子自旋系統(tǒng)之間的耦合。當(dāng)給體之間分開(kāi)的距離約為100- 200時(shí)，將發(fā)生原子核之間的明顯耦合。
對(duì)于兩個(gè)電子的系統(tǒng)，交換相互作用降低了電子的單態(tài)(|↑↓ -↓↑>)相對(duì)于三重態(tài)的能量。但在一個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)，如果μBB＞2J， 則將要極化電子的基態(tài)。核單態(tài)|10-01>(異相180°的自旋)相對(duì) 于|10+01>(同相的自旋)的能量降低了。其它兩個(gè)三重態(tài)高于和 低于這些狀態(tài)。
當(dāng)A門(mén)的電壓不相等時(shí)，核自旋的單態(tài)和三重態(tài)不再是本征態(tài)， 當(dāng)電壓差足夠大時(shí)，中心能級(jí)的本征態(tài)逼近|10>和|01>。
對(duì)于E門(mén)進(jìn)行控制，再加上對(duì)于A門(mén)的控制并且施加BAC，足可以 實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)相鄰的自旋之間的可控的旋轉(zhuǎn)操作。A門(mén)和E門(mén)的動(dòng)作， 再加上BAC，就可以實(shí)現(xiàn)用于量子計(jì)算的所有的可逆操作。
構(gòu)成電子設(shè)備
用來(lái)構(gòu)成這樣的電子設(shè)備的材料必須幾乎是完全無(wú)自旋的(I＝0 的同位素)并且是無(wú)電荷雜質(zhì)的，以防止從中產(chǎn)生相移的漲落。必須 把給體引入到表面下方幾百個(gè)的位置。最后，必須在表面上制作各 個(gè)門(mén)的圖形，使門(mén)的橫向尺寸和分開(kāi)的距離小于100，門(mén)和它們下 方的給體對(duì)齊。以上所述的每一項(xiàng)都是在半導(dǎo)體生長(zhǎng)和毫微米制造的 飛快發(fā)展的領(lǐng)域中的當(dāng)前重大研究課題的焦點(diǎn)。該項(xiàng)研究直接面對(duì)的 問(wèn)題就是用硅制造一個(gè)核自旋量子計(jì)算機(jī)。
合適的半導(dǎo)體材料的一個(gè)優(yōu)秀的標(biāo)志就是能夠在它們中觀察到 整個(gè)的和部分的量子霍爾效應(yīng)。具體來(lái)說(shuō)，以上概括的自旋探測(cè)技術(shù) 要求：對(duì)于電子要進(jìn)行完全的自旋極化，使之成為導(dǎo)致霍爾效應(yīng)按對(duì) 應(yīng)于自旋間隙的整數(shù)進(jìn)行量子化的一個(gè)條件。在高遷移率 CaAs/AlxGa1-xAsGs異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中這個(gè)條件得到了很好地滿足，在這種 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中已經(jīng)證實(shí)了核自旋檢測(cè)電路的正確性。但在這些材料中 沒(méi)有I＝0的同位素，這就意味著，從它們當(dāng)中制造一個(gè)電子設(shè)備是 不大可能的。對(duì)于Si/SixGre1-x異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)研究的最新進(jìn)展導(dǎo)致完全 由第IV組元素構(gòu)成的材料，這種材料的質(zhì)量可以和GaAs異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu) 相比擬。在這些材料中觀察到部分的量子霍爾效應(yīng)，并且自旋劈裂能 量完全可以分辨。在高質(zhì)量的Si/SixGe1-x異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)上也制造出毫微 米結(jié)構(gòu)。
雖然在這里受到限制的Si/SiO2界面和電子系統(tǒng)的質(zhì)量低于外延 界面的質(zhì)量，但在低溫下還能清晰分辨自旋劈裂能量。SiO2中的勢(shì)壘 高度比Si/SixGe1-x中的勢(shì)壘高度大得多(3.3伏相對(duì)于約0.2伏)， 這在制造尺寸等于或小于100的毫微米結(jié)構(gòu)中是一個(gè)根本性的優(yōu) 點(diǎn)。電子穿過(guò)勢(shì)壘材料的泄漏將導(dǎo)致從一個(gè)給體狀態(tài)去除一個(gè)電子， 這是在量子計(jì)算機(jī)中先前未曾提到過(guò)的丟失相干性的一個(gè)源泉。因 此，這些電子在計(jì)算期間不得穿過(guò)這個(gè)勢(shì)壘。還有，在具有大勢(shì)壘高 度的設(shè)備中，E門(mén)在一個(gè)大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)改變交換相互作用的能力得 以改善。對(duì)于電子學(xué)應(yīng)用正在開(kāi)發(fā)的技術(shù)有可能產(chǎn)生這樣一些結(jié)構(gòu)， 它們既具有Si/SixGe1-x的高界面質(zhì)量，又具有SiO2的較大的隧道勢(shì) 壘。由于電荷的漲落和無(wú)序，如果要使用SiO2制造一個(gè)電子設(shè)備，則 有可能需要減小或消除SiO2中的松散的界面狀態(tài)。
建立上述的電子設(shè)備的最明顯的障礙是在勢(shì)壘層的下方的Si層 中加進(jìn)給體陣列。當(dāng)前的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)是分層淀積的。δ摻雜技 術(shù)可產(chǎn)生位于材料中一個(gè)平面上的給體，給體在這個(gè)平面內(nèi)是隨機(jī)分 布的。想像中的這個(gè)電子設(shè)備要求：把給體放置成一個(gè)有序的陣列， 這使通過(guò)利用平板印刷術(shù)和離子注入法或通過(guò)集中淀積法產(chǎn)生陣列 極其困難。當(dāng)前正在開(kāi)發(fā)的使用超高真空掃描隧道顯微鏡在平面上放 置單個(gè)給體的方法很可能成為用來(lái)定位給體陣列的侯選方法。這種處 理方法已被用來(lái)在一個(gè)Si表面上放置Ga。在放置給體后的一個(gè)需要 解決的問(wèn)題是在表面上生長(zhǎng)高質(zhì)量的Si層。
因?yàn)樵陉嚵袃?nèi)部的給體分開(kāi)的距離必須小于200才能使電子自 旋之間實(shí)現(xiàn)明顯的交換耦合，所以門(mén)的尺寸必須小于100；當(dāng)然， 如果E門(mén)正向偏置以減小給體之間的勢(shì)壘，那么，分開(kāi)的距離就可以 較大一些。此外，這個(gè)門(mén)必須準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)在它們下方的給體。掃描探測(cè) 平板印刷技術(shù)有可能在曝光位于表面上的門(mén)的圖形之前檢測(cè)在表面 下方的給體的位置。例如，可以使用一個(gè)掃描式近場(chǎng)顯微鏡來(lái)探測(cè)在 不使光阻材料曝光的一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)P給體的光致發(fā)光特性。在P探 測(cè)和適當(dāng)定位探頭后，用不同的光波長(zhǎng)使光阻材料曝光。門(mén)的“定制 圖形”已證明是必要的，可用于補(bǔ)償在給體陣列的放置過(guò)程中發(fā)生的 不規(guī)則性或缺陷。
面對(duì)這種電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)的許多技術(shù)問(wèn)題和面對(duì)常規(guī)電子產(chǎn)品 的下一代產(chǎn)品的問(wèn)題是類似的；因此，為了克服這些障礙已經(jīng)作出了 巨大的努力。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員都將明白，在不偏離已經(jīng)廣泛描述的本發(fā) 明的構(gòu)思或范圍的條件下可以對(duì)特定實(shí)施例中表示的本發(fā)明進(jìn)行一 系列變化和改進(jìn)。因此，認(rèn)為本發(fā)明的實(shí)施例在所有方面都是說(shuō)明性 的，而不是限制性的。