1.本公开的方面涉及量子处理系统，具体地但非排他地，涉及包括用于感测量子位的传感器的量子处理系统。
背景技术：
2.本部分中描述的发展是发明人已知的。然而，除非另外指明，否则不应假设本部分中描述的任何发展仅由于它们被包括在本部分中而被认为是现有技术，或者这些发展是本领域普通技术人员已知的。
3.大规模量子处理系统有望带来技术革命，具有解决经典机器无法实现的问题的前景。迄今为止，已经提出了众多不同的结构、材料和架构来实施量子位(quantum bit或qubit)以及对应的量子控制和处理系统。在可以商业制造这样的大规模量子计算机之前，需要克服众多障碍，例如在量子处理装置中精确地测量处于任何给定的时间的量子位状态。在本领域中已经提出了不同类型的传感器，以用于测量量子位状态。这些传感器中的一些传感器占据了量子芯片面积的较大部分，这使得用于大规模量子计算机的量子芯片的架构设计复杂化。
4.因此，期望用于感测量子位状态的改进的量子处理装置和系统。
技术实现要素：
5.根据第一方面，本发明提供了一种量子处理系统，包括：位于半导体衬底中的多个量子位，每个量子位基于嵌入在半导体衬底中的量子点的自旋状态，并且每个量子点由一个或多个施主原子组成；制作在半导体衬底上/中的单引线量子点(slqd)电荷传感器；被配置为控制多个量子位的多个控制栅极，其中，slqd电荷传感器被配置为感测位于slqd电荷传感器的感测范围内的两个或更多个量子位。
6.在实施例中，slqd电荷传感器的感测范围是300纳米或更小。
7.在实施例中，两个相邻的量子位之间的最优量子位间距离是5-45纳米。
8.在实施例中，多个控制栅极中的每个控制栅极位于与对应的量子位和slqd电荷传感器所位于的平面相同的平面中。
9.在实施例中，多个量子位被布置成一维线性阵列，并且slqd电荷传感器位于用于感测量子位的一维线性阵列的中心附近。slqd电荷传感器可以感测一维线性阵列中的四个或更多个量子位。slqd电荷传感器可以感测一维线性阵列中的多达五十个量子位。
10.在替代性实施例中，多个量子位被布置成二维布置结构，并且slqd电荷传感器被放置在二维布置结构的中心附近。slqd电荷传感器可以感测二维布置结构中的多达200个量子位。
11.在实施例中，slqd电荷传感器使用单次激发(single-shot)读出过程感测每个量子位的自旋状态。
12.在实施例中，slqd电荷传感器的感测范围与slqd和基于施主的量子位之间的电容
性耦合成正比，并且该电容性耦合与1/d
1.5
或1/d
1.4
±
0.1
成正比，其中，d是slqd电荷传感器与量子位之间的距离。
13.在实施例中，slqd电荷传感器依次读出两个或更多个量子位的自旋状态。
14.在实施例中，施主原子是磷-31(
31
p)施主原子。
15.在实施例中，
31
p施主量子点是使用原子精度氢抗蚀剂光刻在硅中制作的。
16.根据第二方面，本发明提供了一种制造量子处理系统的方法，包括以下步骤：提供位于半导体衬底中的多个量子位，每个量子位基于嵌入在半导体衬底中的量子点的自旋状态，并且每个量子点由一个或多个施主原子组成；在半导体衬底上提供单引线量子点(slqd)电荷传感器；提供被配置为控制多个量子位的多个控制栅极，其中，slqd电荷传感器被配置为测量位于slqd电荷传感器的感测范围内的两个或更多个量子位。
附图说明
17.图1是示出了多个量子位的线性阵列和用于感测量子位的单引线量子点(slqd)电荷传感器的示意图；
18.图2是包括被布置成二维平面布置结构的多个量子位以及用于感测量子位的slqd电荷传感器的量子处理装置的示意图；
19.图3示出了包括被布置成二维环形布置结构的多个量子位以及用于感测环形布置结构中的量子位的slqd电荷传感器的量子处理装置的示意图；
20.图4示出了包括被布置成二维八边形布置结构的多个量子位以及用于感测八边形布置结构中的量子位的slqd电荷传感器的量子处理装置的示意图；
21.图5a示出了全外延的基于施主的量子处理装置的示意性图像；
22.图5b示出了slqd电荷传感器的工作原理的示意图；
23.图5c和图5d分别示出了施主量子点的顶部(d1、d2)和底部(d3、d4)对的电荷稳定性图示；
24.图6a-图6e示出了slqd电荷传感器的作为栅极电压和输入功率水平的函数的对量子点的第一电荷跃迁的电荷感测响应；
25.图7a-图7f示出了量子点d1、d2和d3的单次激发读出脉冲位置和实验轨迹；
26.图7g-图7h示出了对量子点d4的栅极扫描，突出显示了防止单次激发读出的快速隧穿速率；
27.图8a示出了模拟结果，该模拟结果示出了slqd电荷传感器附近的期望的强响应区(strong response regime)；
28.图8b示出了作为距slqd传感器的中心的距离d的函数的slqd传感器响应vm的偏移的曲线图；并且
29.图8c和图8d分别突出显示了d
1.4
±
0.1
缩放与d3缩放之间的差异对电荷感测和读出保真度的影响。
30.本发明服从于各种修改和替代形式，而在附图中通过举例示出了特定的实施例并且详细地描述了特定的实施例。然而，应当理解的是，附图和具体实施方式不旨在将本发明限制到所公开的具体形式。本发明将涵盖落入本发明的由所附权利要求限定的精神和范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
31.概述
32.半导体材料中的电子或原子核的自旋状态是用于携带量子信息的良好候选者，并且充当用于量子计算系统的量子位(quantum bit或qubit)。量子计算需要三个重要步骤：量子位的初始化、量子位的控制以及各个量子位的读出。
33.自旋读出是针对半导体自旋量子位中的容错量子计算的重要要求。自旋读出可以使用单次激发自旋读出来执行，这表示可以采用读出序列的一个单一迭代来确定自旋状态。单次激发读出对于计算结束时的量子纠错和读出是必要的，并且必须以高可靠性和精度来执行。
34.测量的速度是量子处理系统中的重要考量，因为量子位典型地在短时间段(典型地，几百微秒)内保持连贯性。单次激发自旋读出典型地通过将量子位的自旋状态映射到电荷状态(即，自旋到电荷的转换)来执行，这然后可以使用附近的电荷传感器(例如单电子晶体管(set)、量子点接触(qpc)或隧道结)来检测。set提供良好的灵敏度，但是其较复杂，占据较大的空间并且需要在量子计算芯片上需要显著的几何占用面积的至少三个电接触部来操作：源极、漏极和栅极。对于包括数百个、数千个或数百万个量子位的复杂且可扩展的量子计算机的未来发展，期望具有最小的可能占用面积的部件以将占用面积最小化。
35.为了克服这些问题中的一些问题，分散式(或基于栅极的)传感器的普及性不断增长，因为其降低了执行自旋读出所需的装置复杂度和几何占用面积。对比于set，分散式传感器将量子位读出能力集成到装置芯片上的现有的控制引线中。这消除了对额外的近端电荷传感器的需要。
36.最近的进展已经使用直接分散式传感器展示了单重状态和三重状态的单次激发读出。一种感测策略是使用分散式传感器来测量射频下的单电子隧穿的磁化率，其仅需要一个端子通过泡利阻断(pauli blockade)在双量子点上区分单重自旋状态和三重自旋状态，即所谓的“栅极感测”。该“栅极感测”技术的缺点之一是不能直接在“单自旋基础”上执行读出。换言之，栅极感测技术不能直接读出单一电子/原子核自旋，因为其诱导电子往来隧穿到存储池，在自旋状态可以被解析之前破坏了自旋状态。
37.本公开
38.被称为单引线量子点(slqd)电荷传感器的不同类型的电荷传感器可以用于电子自旋读出。然而，迄今为止，slqd尚未用于在单自旋基础上的单次激发读出。slqd具有高灵敏度，需要最小的布线(即，单一引线，这样它们占用较小的空间)，并且与set相比具有明显更小的几何占用面积。因此，slqd电荷传感器是在可扩展的电子计算架构中用于电子自旋测量的良好候选。
39.发明人已经发现，slqd的小尺寸对于可扩展的量子计算机来说不是充分的优势。测量可扩展的量子计算芯片中的量子位的自旋状态所需的电荷传感器的总体占用面积也需要被最小化。
40.slqd电荷传感器仅可以有效地测量位于预定义的量子位-传感器距离d内的量子位的自旋状态。该量子位传感器距离d取决于传感器与电荷(即，与量子位的自旋状态对应的电荷)之间的电容性电荷耦合。在自由空间中，两个电荷之间的电容性耦合(或电容)与两个电荷之间的距离成反比(即，1/d，其中，d是两个电荷之间的距离)。然而，对于位于较大的
金属平面底下的电荷，由于偶极子的形成，该缩放变成1/d3。这是积累模式栅极设定的装置(例如未掺杂的sige异质结构装置和平面金属氧化物半导体(mos)装置)的情况，因为这些装置需要金属积累栅极用于其操作。在栅极设定的量子点的线性阵列中，电容性耦合作为1/d3的函数缩放，这表示电容性耦合作为量子位-传感器距离的函数非常快地减弱。换言之，这些装置中的slqd的感测范围非常短，并且因此，需要较大数量的slqd传感器用于具有多个量子位的大规模栅极设定的装置。
41.此外，发明人已经发现，在原子设定的基于施主的量子位装置中，用于量子位和传感器两者的陷俘电势(trapping potential)由施主电势自然地设定，消除了对金属积累栅极的需要并且带来了极低的栅极密度。因此，原子设定的量子位装置(例如施主量子位装置)在量子位的平面上方和下方需要较少的金属积累。由此，slqd电荷传感器与量子位之间的电容性耦合作为传感器-量子位距离d的函数缩放，并且大致遵循1/d
1.5
或1/d
1.4
±
0.1
依赖关系。因此，当用于原子设定的施主量子位装置中时，slqd对于测量量子位的自旋状态具有更大的感测范围。这减少了每量子位的slqd传感器的数量，并且因此减小了包括多个量子位的大规模量子计算装置上的总体传感器占用面积，为“面积”一般是非常有价值的资源的大规模量子计算装置提供了显著优势。
42.此外，slqd电荷传感器需要单一引线(与需要多个引线的其他传感器相比)。这减少了量子芯片上所需的电接触部的数量，从而将传感器占用面积最小化并且简化了潜在的量子计算机的几何布局。
43.这样，具有原子设定的施主量子位的slqd电荷传感器提供了通过以下两项实现的较小传感器占用面积：a)通过采用slqd代替set减小了传感器占用面积的物理尺寸；以及b)由于在这样的装置中slqd传感器的感测范围增加而减少了每量子位的slqd传感器的数量。此外，施主量子位装置可以被精确地制作/加工以具有更高的量子位密度，并且slqd电荷传感器的数量可以被更稀疏地放置在量子位之间。因此，这样的系统可能适合于实现大规模量子计算装置。
44.本公开的实施例针对新的并且具有创造性的基于施主的量子计算系统，其包括一个或多个slqd电荷传感器，每个slqd电荷传感器感测多个量子位。
45.具体地，本公开提供了一种量子处理系统，其包括位于半导体衬底中的多个施主原子量子位。该系统还包括多个控制栅极。多个控制栅极被配置为控制施主原子量子位。该系统还包括被制作在半导体衬底上/中的slqd电荷传感器。slqd电荷传感器被配置为感测位于slqd电荷传感器的感测范围内的两个或更多个施主原子量子位的自旋状态。
46.例如，图5a示出了全外延的基于施主的量子处理系统50的示意图。系统50包括四个施主原子量子位d1-d4。然而，该系统可以被设计为包括数十个、数百个、数千个或数百万个掺杂剂原子(即，施主原子或受主原子)量子位。在一个实施例中，可以以与掺杂剂原子相关联的电子或空穴的自旋对掺杂剂原子量子位进行编码。在示例中，可以以与磷-31(
31
p)施主原子相关联的电子的自旋来对量子位进行编码。在另一实施例中，可以以提供在
31
p施主量子点中的电子的自旋对量子位进行编码，该
31
p施主量子点被制作在半导体衬底中。
47.在图5a所示的示例中，量子位d1-d4是通过约束电子并且使用这些电子的自旋来携带信息而形成的。r1和r2分别充当用于量子位d1、d2和d3、d4的电子存储池，以及提供对施主电势的静电调节。
48.系统50还包括具有引线54的slqd电荷传感器52。引线54可以用于将电子加载到电荷传感器52上。提供slqd电荷传感器52用于感测位于其感测范围内的量子位d1-d4的自旋状态。具体地，slqd电荷传感器52经由自旋至电荷转换技术执行单次激发自旋读出。
49.系统50还包括导电控制栅极g1-g4，导电控制栅极g1-g4中的每个导电控制栅极用于控制量子位d1-d4。虽然在该示例中示出了四个栅极，但是这可能不是必要的。在其他情况下，更少或更多的栅极可以用于控制量子位d1-d4。
50.电荷传感器52与被约束在施主量子点中的电子中的每个电子之间的电容性耦合作为传感器-量子位距离d的函数缩放，并且可以遵循1/d
1.5
±
0.1
依赖关系。所有四个量子位d1-d4位于slqd传感器52的感测范围内，并且因此，它们的电荷状态可以由单一slqd传感器52感测。
51.以下部分描述了用于放置量子位和一个或多个slqd电荷传感器的各种架构，使得大量的量子位可以被高效地感测。
52.线性架构
53.图1示出了根据本公开的方面的示例性量子位架构。在该架构中，量子位(以施主原子的形式)被布置成线性阵列。本示例示出了10个量子位q1-q10的阵列。
54.线性阵列中的量子位由控制栅极g1-g10控制。slqd传感器15放置在量子位的线性阵列的中心附近，并且提供slqd传感器15以检测量子位q1-q10的自旋状态。在该图中，为了简单起见，仅示出了10个量子位(以及对应的10个控制栅极g1-g10)；然而，取决于量子位间距离，多个量子位(即，少于或多于10个量子位)可以位于该线性阵列中。如果量子位以它们位于slqd传感器15的感测范围d内的方式在空间上布置，则可以使用单一slqd传感器15读出线性阵列中的多个量子位的自旋状态。
55.多个控制栅极g1-g10中的每个控制栅极位于与对应的施主原子量子位和slqd电荷传感器15所位于的平面相同的平面中。在实施例中，slqd电荷传感器15可以感测一维线性阵列中的两个或更多个量子位。替代地，slqd电荷传感器15可以感测一维线性阵列中的四个或更多个量子位。能够被slqd电荷传感器15感测的量子位的数量取决于量子位间距离以及量子处理系统的架构。例如，对于量子位间距离处于2-50纳米(nm)的范围内的系统架构，优选是5-45nm，并且更优选的是8-15nm。感测范围是大约300nm，slqd电荷传感器可以感测一维线性阵列中多达五十个量子位(即，在slqd电荷传感器15的每一侧上25个量子位)。这样的系统的slqd电荷传感器可以实现高达99％或更高的非常高保真度的量子位读出。
56.栅极g1-g10由经由引线13和14连接的控制单元11和12控制以实现所有栅极g1-g10的集中控制。例如，栅极g1-g10可以连接到由中央计算/处理系统控制的多通道精度电压源。
57.在替代性架构中，量子位可以位于矩阵中，其中，矩阵的各个行由它们的对应的slqd感测。
58.二维单元架构
59.图2-图4示出了用于基于施主的量子处理装置的二维单元架构的示例。图2示出了包括三个线性阵列的二维架构，该三个线性阵列分别包括施主原子量子位q11-q15、q21-q25和q31-q35。在该二维布置结构中，所示的量子位的数量是示例性的，并且该数量可以变化。控制栅极控制施主量子位。图2中的二维架构包括被提供用以控制施主原子量子位的阵
列的控制栅极g11-g15、g21-g25和g31-g35。slqd电荷传感器21靠近位于这三个量子位阵列中的量子位的二维布置结构的中心。提供单一引线22以用于将电子加载到slqd电荷传感器21上。栅极g11-g15、g21-g25和g31-g35分别由控制单元23a、23b和23c控制，控制单元23a、23b和23c经由引线24a、24b和24c连接到公共单元23d。
60.图3示出了本公开的另一实施例，其中示出了施主原子量子位的二维环形布置结构。施主量子位qc1-qc10被布置成环形架构，并且这些量子位中的每个量子位由其对应的控制栅极gc1-gc10控制。在该环形布置结构中，所示的量子位的数量是示例性的，并且该数量可以变化。slqd电荷传感器31大致位于施主量子位的环形布置结构的中心处。提供单一引线32以用于将电子加载到slqd电荷传感器31上。栅极gc1-gc10可以由如针对图1-图2中所示的布置结构讨论的公共控制单元控制。
61.图4示出了本公开的另一实施例，其中示出了具有8个等距臂的施主量子位的二维八边形布置结构。八边形的每个臂包括多个施主量子位。在该实施例中，第一臂包括施主量子位q511-q516，第二臂包括施主量子位q521-q526，并且第三臂包括施主量子位q531-q536，以此类推。在该二维布置结构中，所示的量子位的数量是示例性的，并且该数量可以变化。施主量子位由控制栅极控制。图5示出了用于此的多个控制栅极。例如，第一臂包括用于控制施主量子位q511-q516的控制栅极g11-g16，并且第二臂包括用于控制施主量子位q521-q526的控制栅极g21-g26，以此类推。slqd电荷传感器41大致位于该布置结构的中心处，以用于感测施主量子位。提供单一引线(图4中未示出)用于将电子加载到slqd电荷传感器41上。
62.在图2-图4中的上述二维架构中，slqd电荷传感器21、31或41可以感测位于其感测范围内的两个或更多个量子位。替代地，slqd电荷传感器21、31或41可以感测二维单元中的位于其感测范围内的四个或更多个量子位。在其他示例中，对于量子位间距离处于5-15纳米(nm)范围内并且感测范围在线性方向上大约是300nm的系统架构，slqd电荷传感器可以在量子位的每个线性阵列中感测多达五十个量子位(在线性阵列的每个方向上25个量子位)。这允许图2中的slqd电荷传感器21读出多达150个或更少的施主量子位。类似地，在图3中，如果所有施主量子位位于slqd 31的感测范围内，则slqd电荷传感器31可以读出所有施主量子位。另外，图4中的slqd电荷传感器41可以读出多达200个或更少的施主量子位(在八边形架构的每个臂中25个量子位)。
63.原型量子处理装置的架构和slqd电荷传感器的操作
64.如上文所讨论的，图5a示出了全外延的基于施主的量子处理系统50的示意性图像。可以使用扫描隧道显微镜(stm)在硅衬底上执行原子精度氢抗蚀剂光刻来制作该系统。在制作期间，白色虚线内部的区域已经选择性解吸氢，并且设定了装置的光刻图案。装置在这些区域内部重掺杂有磷，当被冷却到mk温度时，这些区域充当金属导体。然后该结构过生长有硅的外延层，并且制成到掩埋装置的铝欧姆接触部。装置接合到印刷电路板(pcb)以传输高频信号和dc电压，然后装置被安装到具有大约80mk基础温度的稀释制冷机的冷头(cold finger)。
65.位点d1、d2、d3和d4指示合并了少量磷施主的区域。基于stm图像以及电测量的充电能量，估计d1的施主数量是2，d2的施主数量是3，d3的施主数量是3，并且d4的施主数量是1。导电控制栅极g1和g2用于对量子点d1和d2的读出脉冲序列，并且对于量子点d3和d4，g3
和g4用于相同的目的。除单次激发自旋读出以外，电荷传感器52还可以用于确定施主点d1-d4的电子占据。
66.图5b示出了slqd传感器的工作原理的示意图。电荷传感器52包括隧道耦合到单一引线(l1)的量子点。当将ac激励施加到l1时，在费米能级与传感器的量子点上的可用电荷状态一致时，可能发生单电子隧穿。这引起反射信号rf
out
的改变，该改变可以采用标准的零差技术来测量。静电环境的改变使slqd响应偏移，从而允许作为电荷传感器进行操作。当slqd传感器的电势与单一引线54的费米能级一致时，slqd 52与单一引线l1 54之间的电子隧穿成为可能。将ac激励施加到l1使得ac单电子电流在量子点与引线l1之间流动，这看起来像电路中的额外的电容(量子电容)。通过将slqd传感器嵌入在lc谐振器中，该额外的电容引起反射信号的改变，该改变可以通过监测从l1反射的信号的相位和幅度来检测。在正常操作期间，没有dc电流能够流过slqd。nbtin超导螺旋电感器51可以被用作谐振器，当接合到l1时，其具有大约130mhz的谐振频率和大约400的加载品质因数。ac信号在被施加到l1之前首先衰减，在使用标准的零差设置进行放大和测量之前，使用定向耦合器52将反射信号分离到输出链。slqd附近的电荷环境的改变使分散测量的库仑(coulomb)峰值53偏移，从而为电荷感测提供了对比度。
67.图5c示出了用于扫描电压v
l1
(单一引线l1处的电压)和v
r1
(存储池r1处的电压)的施主量子点(d1、d2)的顶部对的电荷稳定性图示。
68.该图示展示了slqd传感器52表征施主量子点d1-d2的电荷占据的能力。图示中的周期性对角线55是来自slqd传感器52的类似库仑(coulomb-like)峰值，并且施主电荷跃迁被观察为覆盖slqd跃迁线的标记线中的断线(56、57)。插入图59示出了具有施主电荷跃迁的slqd跃迁线中的示例性断线。如所标记的，被覆盖的虚线指示d1电荷跃迁，并且被覆盖的实线指示d2电荷跃迁。将r1扫描至负电压为量子点d1和d2添加电子。对比之下，栅极g1-g4仅电容耦合到量子点(非隧道耦合)，并且将栅极g1-g4扫描至负电压典型地分别从对应的量子点d1-d2移除电子。
69.图5d示出了用于扫描电压v
l1
(单一引线l1处的电压)和v
r2
(存储池r2处的电压)的施主量子点(d3、d4)的底部对的类似的电荷稳定性图示。如所标记的，虚线指示d3电荷跃迁，并且实线指示d4电荷跃迁。通过将电子的施主完全耗尽并且然后在每次施主跃迁线交叉时添加电子，来分配电子数量。将r2扫描至负电压为量子点d3和d4添加电子。对比之下，栅极g1-g4仅电容耦合到量子点(非隧道耦合)，并且将栅极g1-g4扫描至负电压典型地分别从对应的量子点d3-d4移除电子。
70.对slqd电荷传感器进行优化以用于单电子电荷检测
71.为了对装置50的slqd电荷传感器进行优化，以对被约束在施主量子点中的电子进行时间分辨电荷检测，主要的可调节实验参数是输入反射计(reflectometry)功率p
in
。在slqd电荷传感器中，传感器信号作为p
in
的函数饱和。这可以通过考虑生成分散信号53的循环单电子隧穿过程来直观地理解。当p
in
足够大以完全横穿库仑峰值时，每次反射计信号反转极性时，一整个电子在l1与slqd 52之间被驱动。因为没有dc电流通路，所以隧穿电流被限制到每ac循环两个电子。因此，隧穿电流的幅度受库仑阻塞(coulomb blockade)限制。测量的信号与装置中的隧穿电流成正比，因此这也饱和。在电流测量中，p
in
被选择处于此信号饱和开始时，以用于提供slqd电荷传感器的最优读出。
72.图6a-图6c示出了slqd电荷传感器的作为栅极电压和输入功率p
in
水平的函数的对d1的第一电荷跃迁的电荷感测响应。图6a具有处于饱和水平下方的p
in
＝-115dbm。图6b具有处于功率饱和开始时的p
in
＝-103dbm。图6c具有完全进入饱和的p
in
＝-95dbm。超过饱和点后，增加输入功率不会返回显著更多的信号，并且库仑峰值开始功率展宽。为了感测施主量子点电子，选择处于饱和开始时的p
in
值(即，p
in
＝-103dbm)，这在信号对比度与库仑峰值功率展宽之间提供了最优平衡。
73.图6d展示了由于量子点d1上的电子充电事件引起的slqd传感器响应(vm)的偏移。该偏移的大小取决于slqd传感器与目标量子位之间的电容性耦合。对于d1，vm＝7.1mv。
74.此外，所发现的是，作为量子位与slqd电荷传感器52之间的距离d的函数的vm的大小是可以用于确定具有给定数量的量子位的量子处理装置中所需的slqd电荷传感器的密度的重要参数。vm作为距离d的函数缓慢减小的架构可以减少量子处理装置中所需的slqd电荷传感器的数量。注意，由于slqd传感器与量子位d1之间的强电容性耦合，对于图6d中的所有p
in
值，vm大于库仑峰值宽度。因此在此情形下，通过调节至库仑峰值的顶部而不是峰值的提供最佳小信号灵敏度的侧部，获得用于感测d1的最大信号对比度。这被称为强响应电荷感测区，并且在由slqd进行的电荷检测期间允许全传感器信号的二进制开关切换。在装置50中，如图6b所示，所有四个施主量子点d1-d4都处于p
in
＝-103dbm的强响应区中，因此p
in
＝-103dbm的相同值用于感测所有四个量子位。
75.图6e示出了作为p
in
的函数的最大传感器对比度，其中来自图6a、图6b和图6c的值分别由匹配的形状星形、圆形和正方形指示。对于p
in
》-103dbm，最大信号饱和并且超过该值引起功率展宽，而信号高度无明显的增益。这进一步证明在以下实验中使用p
in
＝-103dbm是合理的。
76.可以在反射计频率下流动的最大隧穿电流由下式给出
77.|i
max
|＝|4(1-α)ef|，
ꢀꢀ
(1)
78.其中，α是引线54与slqd传感器52之间的杠杆臂，e是电子电荷，并且f是反射计信号的频率。应当注意的是，当反射计信号被施加到没有隧道耦合到slqd点的栅极时，饱和值是4αef。
79.对于直接分散读出，使用单一引线和两个量子点。差分杠杆臂δα＝(α1-α2)是在被施加到引线的电压与在第一点和第二点(点1和点2)之间产生的能量差之间转换的比例因子，其中，α1是引线与点1之间的杠杆臂，并且α2是引线与点2之间的杠杆臂。对于直接分散读出，信号饱和也发生在4δαef的值。杠杆臂是正值的，所以α》δα对于单引线传感器总是成立的，这解释了为什么slqd电荷传感器能够具有比直接分散读出更高的灵敏度。
80.在典型的stm装置中，slqd电荷传感器足够接近其电子存储池(例如，装置50中的用于slqd传感器52的单一引线54)以使隧穿发生，所以在实际的stm装置中，(1
–
α)》δα成立(例如，典型值是(1-α)～0.5、δα～0.05)。在cmos纳米线装置中，α可以大于0.9，并且δα大约是从0.3到0.72。因此，slqd电荷传感器的量子电容(cq
∝
α2)比直接分散传感器的量子电容(cq
∝
δα2)大得多，这解释了量子处理装置中对电荷检测的更高灵敏度的潜力。等式1还示出了增加反射计频率生成更多的信号，所以在更高频率下操作可以改进灵敏度。
81.单次激发电子自旋读出
82.在p
in
被优化的情况下，slqd电荷传感器(例如传感器52)能够准备好用于单自旋基
础上的单次激发量子位读出(即，电子自旋读出)。在实验中，slqd传感器52用于对d1、d2和d3执行在单自旋基础上的单次激发电子自旋读出。对于施主点d4，到r2的隧穿速率超过了测量带宽，并且不能执行读出。
83.图7示出了采用特定组的设置的该自旋读出实验的结果。具体地，在该实验中，施加1.5特斯拉的磁场对d1-d3的电子自旋状态进行塞曼分裂(zeeman split)。在每个施主点的情况下，执行沿slqd跃迁线的三电平脉冲，其中电平在图7a、图7c和图7e中由星形指示。3电平脉冲本质上是具有三个恒定电压电平的电压脉冲，并且脉冲可以突然切换到这三个电压电平中的一个电压电平。具体地，三电平脉冲序列由用于对随机电子自旋状态进行初始化的加载阶段、随后的投影式测量自旋的读取阶段、以及用于在下一脉冲重复之前排出电子的空阶段组成。
84.在读取阶段期间，上自旋状态隧穿至存储池，随后下自旋隧穿回到施主点，在电荷传感器响应中生成特征性的“尖头信号(blip)”，这在下自旋状态中是不存在的。用于该实验的脉冲序列可以由任意的波形发生器提供，其中波形经由计算或处理装置进行编程。例如，计算或处理装置可以是“中央控制系统”。
85.施主量子点d1、d2和d3足够接近它们相应的存储池r1/r2，以允许点与相应的存储池之间的电子隧穿。如果能量状态可用，则存在电子经由量子隧穿可以克服以在(例如)d1与r1之间移动的势垒。对于自旋读出，上自旋电子具有较高的能量并且将隧穿通过势垒，而下自旋电子将不能够隧穿。
86.对于在第一电子跃迁处的读出，如果电子在读取阶段期间是上自旋，其将会隧穿离开施主，并且下自旋电子将在某个稍后时间隧穿回来。
87.对于d-读出，如果电子处于上自旋状态，下自旋电子将从存储池隧穿进入以形成两电子单重状态，随后上自旋电子隧穿回到存储池。两种情况使得上自旋电子在读出阶段期间被记录为增加的信号的尖头信号。如果电子处于下自旋状态，则无电子隧穿发生，因此将不会观察到尖头信号。
88.图7a示出了扫描与d1的第一电子电荷跃迁相交的单一slqd 52线之上的v
g1
和v
g2
的栅极-栅极图。将电子添加到d1使slqd 52峰值位置偏移vm＝7.1mv(其中，vm是关于v
g1
的相互充电电压)。图7b示出了d1的示例性上自旋71和下自旋72轨迹，展示了单次激发读出。自旋读出保真度通过取5000个单个单次激发轨迹来计算，并且被发现是fm＝81％。保真度受测量带宽(在该实验中，其被设为～80khz)限制，其不足以高到捕获最快的隧穿事件。增加测量带宽允许更快的事件，其代价是降低的snr(其也降低了保真度)。在该实验设置中，发现80khz给出了81％的最大保真度。
89.图7c示出了扫描与d2的第二电子电荷跃迁相交的单一slqd 52线之上的v
g1
和v
g2
的栅极-栅极图。由于第二电子跃迁处的有利的电子隧穿速率(～2.6khz)，因此在该实验中执行d-电荷读出。图7d中示出了显示上自旋(信号73)与下自旋(信号74)信号之间的差异的示例性单次激发轨迹。取5000个单个轨迹，发现d2的保真度fm＝95％。该保真度再次部分地受限于过滤最快的隧穿事件的测量带宽(其在该实验中是15khz)以及相对高的电子温度(～280mk)。
90.图7e示出了扫描与d3的第一电子电荷跃迁相交的单一slqd 52线之上的v
g1
和v
g2
的栅极-栅极图。在该情况下，在自旋读出期间，电子在d3与r2(而不是先前情况下的r1)之
间隧穿。图7f示出了d3的对应的示例性单次激发上自旋75和下自旋76轨迹。在该情况下，保真度被计算为fm＝95％，其受限于与d2相同的因素。
91.图7g示出了量子点d4的栅极-栅极电压图。对于该施主量子点d4，施主与存储池之间的隧穿速率太快而不能执行单次激发自旋读出。事实上，由于在d4与r2之间对电子的循环驱动，可以观察到微弱的信号。这意味着与rf反射计频率(130mhz)相比，隧穿速率是不可忽略的。图7h示出了图7g中的区域77区域的放大图，突出显示了由于施主电子隧穿引起的微弱信号。由于快速隧穿速率，不能够对量子点d4执行单次激发自旋读出。
92.表i示出了四个施主点d1-d4的单次激发读出结果的概要。
93.表i.四个施主点装置的单次激发读出结果的概要。
[0094][0095]
远程电荷感测
[0096]
本部分描述了传感器偏移vm作为传感器-量子位距离d的函数的缩放的调查。首先，使用有限元包comsol multiphysics来模拟装置50中的slqd传感器52与量子位之间的电容性耦合。将模拟结果绘制在图8a中，其中虚线轮廓指示这样的区域，在该区域内，由于目标量子位上的充电事件(强响应阈值)使得vm足够大以至于使slqd 52库仑峰值从全信号(在峰值的顶部)偏移到＜1％信号。强响应区被定义为这样的区域，在该区域内，》99％的全开关信号对比度是可能的。超过该强响应边界后，通过减小p
in
、偏置到库仑峰值的侧部、或前述两者来实现最大读出对比度。位于该轮廓线82的占用面积内部的任何量子位将生成传感器信号的全开关切换，并且可以被测量，而无与传感器的距离所导致的任何保真度的损失。
[0097]
图8b示出了对于含有传感器和图案化的量子位的装置区域的作为距slqd传感器的中心的距离d的函数的slqd传感器响应(vm)的偏移的曲线图。拟合到模拟的vm值(蓝色点83)，发现vm与d
1.4
±
0.1
成正比，这与使用装置50的实际测量的数据(由圆圈84示出)一致。由图8b中的曲线81所指示的，实验结果和模拟结果两者与1/d3缩放不一致。
[0098]
图8c突出显示了该缩放的差异对远程电荷感测的影响。左侧分图使用来自图8b的1/d
1.4
拟合来估计与slqd传感器52相距100nm、200nm和300nm的距离处的vm。实线和虚线分别示出了0个电子和1个电子的slqd库仑峰值在指定距离处的目标量子位上的预期位置。通过拟合到图6b中的最优p
in
值(即，-103dbm)的实验数据的线来确定传感器库仑峰值的形状。图8c中的箭头指示用于检测目标上的电子电荷的最大传感器对比度。右侧分图示出了使用来自图8b的1/d3拟合(81)来估计距传感器100nm、200nm和300nm处的vm的rf响应。在该情况下，vm随着距离更快地减小，并且对比度在300nm处最小。
[0099]
为了突出显示该缩放对于可扩展的量子计算的重要性，采用与装置50中的点d3相同的参数来计算量子位的作为d的函数的预期的单次激发读出保真度。根据图8b中的拟合，估计作为d的函数的vm，并且将其用于计算预期的信号对比度。在此之后，使用在实验中测
量的噪声来计算信噪比(snr)，并且然后将其用于保真度计算。
[0100]
图8d示出了1/d
1.4
±
0.1
和1/d3两者的结果。曲线86对应于1/d
1.4
±
0.1
的结果，其中阴影区域87描绘了不确定性界限的轮廓。曲线85对应于1/d3的结果，并且呈现了读出保真度的更快的衰减。如d3的直接测量中所观察的，对于小的d，传感器处于强响应区中并且具有全开关信号对比度，并且两个曲线均饱和至95％保真度。从该图显而易见的是，具有与d3相同特性的量子位(即，具有低金属栅极积累的基于施主的量子位)在距slqd传感器高达300nm处可以测得超过90％的自旋读出保真度，相比之下，如在积累模式栅极设定的装置中所观察到的，1/d3缩放在130nm处可以测得超过90％的自旋读出保真度。
[0101]
此外，所发现的是，对于在相邻的量子位之间具有12nm的典型分离距离的隧道耦合的施主量子位的线性阵列，放置在线性阵列的中心的单一sqld可以读出多达50个量子位，其类似于具有超过90％的保真度的d3(即，具有低金属栅极积累的基于施主的量子位)。通过对测量设置进行优化以降低电子温度、在更高频率下操作slqd、以及使用量子限制的约瑟夫森(josephson)参数放大器，这可以增加到》99％。用于积累模式栅极设定的装置的量子位(假设量子位分离为80nm并且感测范围为130nm)的等同数量大体上是3。这与每传感器具有3-4个量子位的目前可用的实验栅极设定的阵列一致。
[0102]
在该实验中，已经在1.5特斯拉下测量出d3的弛豫时间t1为11秒。此外，已经在针对施主量子位的其他实验中展示了高达30秒。考虑到施主量子位中的极长的弛豫时间t1以及操控较大的量子位阵列中的电荷状态的最近进展，同一slqd电荷传感器可以依次测量50个量子位，而不限制保真度。
[0103]
以上实验结果显示，与遵守1/d3依赖关系的积累模式栅极设定的装置的线性阵列中的先前测量对比，当用于施主类型的量子位和单次激发slqd电荷传感器时，传感器与量子位之间的电容性耦合遵循1/d
1.4
±
0.1
依赖关系。缩放的该差异对于可扩展性是重要考量的未来量子处理装置中的远程量子位读出具有显著影响。低金属栅极密度装置50中的有利的距离缩放意味着，在未来大规模量子处理装置中可以显著地减少每量子位的传感器的数量。因此，晶体施主量子位具有双重优势：a)可以从更远处感测量子位；以及b)由于原子级光刻分辨率，可以以更高的密度制作量子位。这些结果对于实现在原子级量子位上具有大幅减少的传感器密度的大规模量子计算架构而言是非常有希望的。
[0104]
slqd的小占用面积和高灵敏度以及有利的距离感测，使得slqd成为有希望增加大规模量子处理装置中的基于施主的原子量子位的传感器。
[0105]
如本文中所使用的术语“包括”(及其语法变形)用于“具有”或“包含”的包容性意义，而不是“仅由
……
组成”的意义。
[0106]
本领域技术人员将理解的是，如具体实施例中所示的，可以对本发明作出许多变化和/或修改，而不脱离广泛描述的本发明的精神或范围。因此，本实施例在所有方面应当被视为是说明性的，而不是限制性的。