先进量子处理系统和用于执行量子逻辑操作的方法与流程

本公开的各个方面涉及先进处理系统和用于操作其的方法，更特别地涉及可控制以使用量子逻辑门来执行量子逻辑操作的量子处理系统。

背景技术：

1、本节所描述的开发成果为发明人所知。然而，除非另有说明，否则不应认为本节所述的任何开发成果仅仅因为被列入本节而被视为现有技术，也不应认为这些开发成果为本领域普通技术人员所熟知。

2、大规模量子处理系统有望带来一场技术革命，前景是解决经典机器无法解决的问题。迄今为止，人们已经提出了许多不同的结构、材料和架构来实现量子处理系统并制造其基本信息单元(量子位或量子比特)。

3、例如，制造量子比特(qubit)的一种方法是利用硅中的磷供体原子的核自旋或电子自旋，使每个磷供体原子的核/电子自旋充当量子比特。由于磷自旋的可寻址性和长相干性，这种制造技术可提供近乎完美的量子比特状态编码。此外，以这种方式制造的量子比特已证明具有秒级的长寿命，并得益于可实现电寻址和高保真度的半导体主机。

4、然而，要开始看到量子处理系统所能提供的计算优势，需要制造出基本的量子逻辑电路(或量子逻辑门)——这并非易事。

技术实现思路

1、根据本公开的第一个方面，提供了一种量子处理元件的操作方法。量子处理元件包括：半导体、与半导体形成界面的介电材料、嵌入半导体中的多个掺杂点，每个掺杂点包括一个或多个掺杂原子和一个或多个被限制在掺杂点内的电子或空穴，其中每个掺杂点的未成对电子或空穴的自旋形成至少一个量子比特。该方法包括以下步骤：控制一对掺杂点中的该一个或多个掺杂原子的核自旋的定向，和/或控制该对掺杂点中的一个或多个掺杂原子的核自旋与未成对电子或空穴的电子或空穴自旋之间的超精细相互作用(hyperfineinteraction)，以在对应的一对量子比特上执行量子逻辑操作。

2、在某些实施方式中，该对量子比特用于执行受控rot(crot)门和受控phase(cphase)门，控制核自旋的定向包括控制核自旋的定向以最大化量子比特之间的能量差。为此，在某些实施方式中，该对掺杂点的一个掺杂点中的核自旋与另一个掺杂点中的核自旋反平行(anti-parallel)定向。在其他实施方式中，为了最大化量子比特之间的能量差，该对掺杂点中的至少一个包括多个掺杂原子，而该多个掺杂原子被定位在对应的掺杂点内，从而使这些原子位点处的受约束的电子或空穴的波函数的概率密度最大化。

3、在其他实施方式中，该对掺杂点用于执行swapα门，其中α介于0-4π之间，而控制该对掺杂点中的该一个或多个掺杂原子的核自旋的定向包括最小化量子比特之间的能量差。

4、根据本公开的第二个方面，提供了一种量子处理元件，包括：半导体、与半导体形成界面的介电材料、嵌入半导体中的多个掺杂点，每个掺杂点包括一个或多个供体或受体原子以及一个或多个被限制在对应的掺杂点内的电子或空穴、其中每个掺杂点的未成对电子或空穴的自旋形成量子比特，为了在至少一对量子比特之间执行量子逻辑操作，该至少一对掺杂点中的一个或多个掺杂原子的核自旋的定向受到控制。

5、此外，在某些实施方式中，该对掺杂点中的至少一个掺杂点可以包括多个供体或受体原子。此外，在某些实施方式中，该对掺杂点中的至少一个掺杂点包括多个电子或空穴。

6、在这种情况下，通过以最小化量子比特之间的能量差的方式对每个掺杂点中的核自旋进行定向，可以最小化量子比特之间的能量差。

7、在某些实施方式中，通过控制至少该对掺杂点中的该一个或多个掺杂原子的核自旋与未成对电子或空穴的电子或空穴自旋之间的超精细相互作用，可以增加在该至少一对量子比特上执行的逻辑门操作的保真度。

8、在这种情况下，控制超精细相互作用包括以下至少一项：改变掺杂点中的掺杂原子的数量、在掺杂点内布置掺杂原子、控制掺杂点中的电子或空穴的数量、控制施加到量子处理元件的背景电场。在一个示例中，通过屏蔽该对掺杂点的核自旋并在每对掺杂点中加入多个电子或空穴来控制超精细相互作用，以最大化该对量子比特之间的能量差。

9、量子处理元件中的供体原子可以是磷原子。此外，还可以通过动态控制核自旋以在该对量子比特之间产生最佳能量差，来在该对量子比特上执行不同的门操作。

技术特征：

1.一种量子处理元件的操作方法，所述量子处理元件包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述至少一对掺杂点中的至少一个掺杂点包括多个供体或受体原子。

3.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，其中，所述一对掺杂点中的至少一个掺杂点包括多个电子或空穴。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，控制超精细相互作用包括以下至少一项：改变掺杂点中的掺杂原子的数量、在掺杂点内排列掺杂原子、控制掺杂点中的电子或空穴的数量、控制施加到量子处理元件的背景电场。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述一对量子比特用于执行受控rot(crot)门和受控phase(cphase)门，并且其中，控制所述一对掺杂点中的所述一个或多个掺杂原子的核自旋的定向包括最大化量子比特之间的能量差。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，为了最大化crot和cphase门的量子比特之间的能量差，所述一对掺杂点中的一个掺杂点中的核自旋与另一个掺杂点中的核自旋反平行定向。

7.根据权利要求5所述的方法，其中，为了最大化量子比特之间的能量差，所述一对掺杂点中的至少一个包括多个掺杂原子，并且所述多个掺杂原子被定位在对应的掺杂点内，以使这些原子位点处的受约束的电子或空穴的波函数的概率密度最大化。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中，所述一对量子比特用于执行受控rot(crot)门和受控phase(cphase)门，并且其中，控制超精细相互作用包括控制超精细相互作用以使量子比特之间的能量差最大化。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，控制超精细相互作用以使所述一对量子比特之间的能量差最大化包括通过向所述一对掺杂点中的每个添加多个电子或空穴来屏蔽所述一对掺杂点的核自旋。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，所述一对掺杂点用于执行swapα门，其中α介于0-4π之间，并且其中，控制所述一对掺杂点中的所述一个或多个掺杂原子的核自旋的定向包括最小化量子比特之间的能量差。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中，能够通过动态控制核自旋以在所述一对量子比特之间产生最佳能量差，来在所述一对量子比特上执行不同的门操作。

12.一种量子处理元件，包括：

13.根据权利要求12所述的量子处理元件，其中，所述一对掺杂点中的至少一个掺杂点包括多个供体或受体原子。

14.根据权利要求12-13中任一项所述的量子处理元件，其中，所述一对掺杂点中的至少一个掺杂点包括多个电子或空穴。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的量子处理元件，其中，供体原子为磷原子。

16.根据权利要求12-15所述的量子处理元件，其中，所述一对量子比特用于执行受控rot(crot)门和受控phase(cphase)门，并且其中，控制所述一对掺杂点中的所述一个或多个掺杂原子的核自旋的定向包括最大化量子比特之间的能量差。

17.根据权利要求12-15所述的量子处理元件，其中，所述一对掺杂点用于执行swapα门，其中α介于0-4π之间，并且其中，控制所述一对掺杂点中的所述一个或多个掺杂原子的核自旋的定向包括最小化量子比特之间的能量差。

18.根据权利要求12-15中任一项所述的量子处理元件，其中，能够通过控制所述至少一对掺杂点中的所述一个或多个掺杂原子的核自旋与未成对电子或空穴的电子或空穴自旋之间的超精细相互作用来增加在所述至少一对量子比特上执行的逻辑门操作的保真度。

19.根据权利要求18所述的量子处理元件，其中，控制超精细相互作用包括以下至少一项：改变掺杂点中掺杂原子的数量、在掺杂点内排列掺杂原子、控制掺杂点中的电子或空穴的数量、控制施加到量子处理元件的背景电场。

20.根据权利要求19所述的量子处理元件，其中，控制超精细相互作用，以通过屏蔽所述一对掺杂点的核自旋并向所述一对掺杂点中的每个添加多个电子或空穴来最大化所述一对量子比特之间的能量差。

技术总结
公开了量子处理元件和在量子处理元件上执行逻辑操作的方法。量子处理元件包括：半导体、与半导体形成界面的介电材料、嵌入半导体中的多个掺杂点，每个掺杂点包括一个或多个掺杂原子和一个或多个被限制在掺杂点内的电子或空穴，其中每个掺杂点的未成对电子或空穴的自旋形成至少一个量子比特。该方法包括以下步骤：控制一对掺杂点中的该一个或多个掺杂原子的核自旋的定向，和/或控制该对掺杂点中的一个或多个掺杂原子的核自旋与未成对电子或空穴的电子或空穴自旋之间的超精细相互作用，以便在对应的一对量子比特上执行量子逻辑操作。

技术研发人员：L·克兰茨,S·K·戈尔曼,M·S·穆尼尔,S·罗什,D·基思,R·拉赫曼,M·Y·西蒙斯
受保护的技术使用者：硅量子计算私人有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6