本申请案是2015年11月27日提出申请的标题为“用于与自旋存储的量子信息交互的系统、装置及方法(systems,devices,andmethodsforinteractingwithquantuminformationstoredinspins)”的第62/260,391号美国专利申请案(其以全文引用方式并入本文中)的非临时案，且主张所述美国专利申请案的优先权。
本发明一般来说涉及量子计算及量子信息的领域。
背景技术：
量子装置是其中量子机械效应是显著的及/或占支配地位的制造品或结构。量子装置(例如超导电路及自旋电子电路)包含其中通过量子机构支配电流输送的电路。超导电路使用量子物理学现象，例如隧穿及通量量子化。自旋电子电路使用自旋(例如电子自旋)的物理性质作为资源来接收、处理、存储、发送或输出信息。量子装置可用于测量仪器、用于计算机器中等等。计算机器的实例包含传统计算机及量子计算机的组件。
用于实施量子计算机的所提议技术描述其中在放置于硅衬底中的施体原子(具体来说，磷-31)的核自旋中编码信息的电子装置。所述施体原子放置在硅衬底中的浅深度(例如，20纳米)处且以一个晶体单位单元的精确度(例如，以大约20纳米)精确地间隔开。使用在外部施加的电磁场对个别自旋执行逻辑或计算操作，且使用自旋相依电荷转移进行自旋测量，且使用高度灵敏静电计检测自旋测量。尚未完全实现所提议技术。
技术实现要素：
一种实施量子计算机的技术涉及量子信息处理装置。所述量子信息处理装置包含半导体衬底。深杂质(例如，非气态硫族元素施体原子)安置在所述半导体衬底内。所述深杂质(例如，非气态硫族元素施体原子)中的每一者由对应于所述深杂质的不同电子或核自旋状态且表示量子位信息的多个量子状态表征。所述量子信息处理装置进一步包含具有具第一共振器频率的第一光子模态及表示共振器信息的光学状态的第一光学共振器。所述第一光学共振器光学耦合所述量子位信息与所述共振器信息。
一种用于量子信息处理器的操作方法。所述量子信息处理器包含耦合到半导体衬底的光学结构。多个深杂质安置在所述半导体衬底中。所述深杂质中的每一者由对应于施体原子的不同电子及核自旋状态的多个量子状态表征，信息由所述深杂质(例如，施体原子)的所述量子状态表示。所述方法包含：将所述多个深杂质中的第一深杂质初始化到第一基准状态；及将所述多个深杂质中的第二深杂质初始化到所述第一基准状态。所述方法进一步涉及：致使接近第一施体原子及第二施体原子的光学共振器与所述第一施体原子及所述第二施体原子共振；及将所述光学共振器的光学状态测量为由所述第一施体原子及所述第二施体原子的所述量子状态表示的所述信息的度量。
另一操作方法用于包含植入于半导体衬底中的施体原子的量子信息处理器。所述方法包含：将所述施体原子初始化为基准状态且将脉冲式磁场施加到第一施体原子以改变状态；致使接近所述施体原子的光学共振器与所述施体原子共振；及测量所述光学共振器中存在还是不存在光子。
另一操作方法用于包含安置在半导体衬底中的非气态硫族元素施体原子的量子信息处理器。所述非气态硫族元素施体原子表征为具有表示信息的一或多个不同量子状态。在一个方面中，所述方法包含：在光学耦合到所述非气态硫族元素施体原子的光学共振器处接收具有第一量子状态的光子；及对应于所述光学共振器处的所述第一量子状态而形成所述非气态硫族元素施体原子中的第二量子状态。
在另一方面中，所述方法包含：形成所述半导体衬底中的所述非气态硫族元素施体原子中的第一量子状态；及将所述非气态硫族元素施体原子光学耦合到光学共振器。所述方法也包含：在光学共振器处形成具有第二量子状态的光子，所述第二量子状态对应于所述非气态硫族元素施体原子中的所述第一量子状态。
本文中基本上描述及图解说明一种包含数字计算机及模拟计算机的系统。
本文中基本上描述及图解说明一种包含量子信息处理器的系统。所述量子信息处理器包含半导体衬底、植入于所述衬底中的第一非气态施体原子、植入于所述衬底中的第二非气态施体原子及界定于所述衬底中的光学结构，且本文中基本上以其它方式描述及图解说明。
本文中基本上描述及图解说明一种量子信息处理器。
本文中基本上描述及图解说明一种量子信息存储装置。
本文中基本上描述及图解说明一种用于包含数字计算机及模拟计算机的系统的操作方法。
本文中基本上描述及图解说明一种用于量子信息处理器的操作方法。
附图说明
本文中参考以下各图更加详细地描述系统、装置、物件及方法，在所述图中：
图1是图解说明包含量子信息处理器的系统的一部分的示意图；
图2是图解说明示范性施体原子及共振器的示意图；
图3是图解说明量子信息处理器的示范性部分的示意图；
图4是图解说明包含一对施体原子的量子信息处理器的示范性部分的示意图；
图5是图解说明量子信息处理器的示范性部分的示意图；
图6是图解说明包含一对光学共振器及一对施体原子的量子信息处理器的示范性部分的示意图；
图7是图解说明包含光学读出装置的量子信息处理器的示范性部分的示意图；
图8是图解说明杂质电子-核系统的对照磁场标绘的能级的图表；
图9是图解说明量子信息处理器中的操作方法的实施方案的流程图；
图10是图解说明用以准备初始状态中的一或多个量子位的方法的实施方案的流程图；
图11是图解说明用以耦合两个或多于两个量子位的方法的实施方案的流程图；
图12是图解说明用以读出至少一个量子位的方法的实施方案的流程图；
图13a及13b是图解说明用于互转换飞行量子位与固定量子位的方法的流程图；
图14示意性地图解说明包含深杂质及光学结构的所耦合系统的多个能级；及
图15是图解说明包含光学耦合到波导的多个深杂质的量子信息处理装置的区段的示意图。
具体实施方式
本文中揭示在量子信息处理(例如，量子计算及量子通信)中具有实际应用的系统、装置、物件及方法。本发明系统、装置、物件及方法的一些实施方案包含量子计算机的以下方面中的两者或多于两者或者由其表征：良好定义的量子位、可靠状态准备、低去相干率、准确量子门操作、多量子位耦合及强量子测量。在量子通信及量子计算中具有实际应用的系统、装置、物件及方法可互转换固定量子位(例如，固态)与飞行量子位(例如，光子)中的状态。
图1图解说明包含用以处理信息的专门装置的计算机系统100。系统100包含数字计算机102，数字计算机102包括控制子系统104。控制子系统104包含至少一个处理器105。数字计算机102包含耦合到控制子系统104的总线106。系统100包含至少一个非暂时性计算机与处理器可读存储装置108及网络接口子系统110，其两者均以通信方式耦合到总线106。数字计算机102包含以通信方式耦合到总线106的输入子系统112及输出子系统114。数字计算机102包含耦合到总线106的模拟计算机接口子系统116。在各种实施方案中，总线106以通信方式耦合计算机102中的若干对子系统及/或所有子系统。在一些实施方案中，省略或组合系统100的一些子系统。
至少一个处理器105可为任一逻辑处理单元，例如一或多个数字处理器、微处理器、中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)、专用集成电路(asic)、可编程门阵列(pga)、经编程逻辑单元(plu)、数字信号处理器(dsp)、网络处理器(np)等等。
网络接口子系统110包括用以支持处理器可读数据与处理器可执行指令的双向通信的通信电路。网络接口子系统110采用通信协议(例如，ftp、https、ssh、tcp/ip、soap加上xml)以经由网络或非网络通信信道(未展示)(例如，因特网、串行连接、并行连接、
输入子系统112包含一或多个用户接口装置，例如键盘、指针、数字小键盘、触摸屏。在一些实施方案中，输入子系统112包含用于数字计算机102或模拟计算机150的一或多个传感器。所述一或多个传感器提供表征或表示数字计算机102及/或模拟计算机150的环境或内部状态的信息。输出子系统114包含一或多个用户接口装置，例如显示器、灯、扬声器及打印机。
存储装置108是至少一个非暂时性或有形存储装置。举例来说，存储装置108可包含：一或多个易失性存储装置，例如随机存取存储器(ram)；及一或多个非易失性存储装置，例如只读存储器(rom)、快闪存储器、磁性硬盘、光盘、固态磁盘(ssd)等等。所属领域的技术人员将了解，存储器件可以各种方式来实施，例如只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、硬盘驱动器(hdd)、网络驱动器、快闪存储器、其它形式的计算机与处理器可读存储媒体及/或其组合。存储器件可是只读的或读-写的。进一步地，现代计算机系统合并易失性存储器件及非易失性存储器件，举例来说，高速缓冲存储器、固态硬驱动器、存储器内数据库等等。
存储装置108包含或存储与系统100的操作相关联的处理器可执行指令及/或处理器可读数据120。处理器可执行指令及/或数据120的执行会致使至少一个处理器105及/或控制子系统104(举例来说)通过网络接口子系统110或模拟计算机接口子系统116执行各种方法及动作。处理器105可致使系统100执行方法及动作。举例来说，处理器可执行指令及/或处理器可读数据120可包含基本输入/输出系统(bios)(未展示)、操作系统122、外围驱动器(未展示)、服务器指令124、应用程序指令126、校准指令128、量子信息处理器控制指令130、环境控制指令132及处理器可读数据134。
示范性操作系统122可包含
校准指令128包含在由处理器(例如，处理器105)执行时致使所述处理器校准及存储模拟计算机150的经校准值的处理器可执行指令。包含于模拟计算机150中或上的组件可具有操作参数的组件间变化。校准指令128在由处理器执行时允许测试及校正这些组件间变化及/或与预期或理想组件参数的变化。
量子信息处理器控制指令130包含在由处理器(例如，处理器105)执行时致使所述处理器控制、初始化、写入、操纵、读出模拟计算机150及/或以其它方式向/从模拟计算机150发送数据的处理器可执行指令。量子信息处理器控制指令130部分地实施本文中所描述的方法。
环境控制指令132包含在由处理器(例如，处理器105)执行时致使所述处理器控制及监测模拟计算机150的部分或全部的规定及可能专门环境的方面的处理器可执行指令及/或处理器可读数据。此些指令132的实例包含用以监测及控制影响量子信息处理器的温度及磁场的指令。环境控制指令132部分地实施本文中所描述的方法，包含在图10中及关于图10的那些方法等。
数据134包含通过系统100的操作使用或获得的数据。举例来说，来自数字计算机102及模拟计算机150的一或多个日志。数据134包含与执行处理器可执行指令(例如，服务器指令124、应用程序指令126、校准指令128、量子信息处理器控制指令130及环境控制指令132)的处理器相关联(例如，由所述处理器创建、参考、改变)的数据。
模拟计算机接口(aci)子系统116包括支持数字计算机102与模拟计算机150之间的双向通信的通信电路。在一些实施方案中，模拟计算机接口子系统116与模拟计算机150的环境子系统152交互。在一些实施方案中，模拟计算机接口子系统116经由模拟计算机150的一或多个子系统(例如，子系统156及158)与量子信息处理器154交互。在各种实施方案中，aci子系统116包含波形数字化器，例如alazartechats9440、4信道、14位、125ms/s卡或alazartechats9360、1信道、12位、1.8gs/spci卡、来自加拿大魁北克省潘特-克莱尔市(pointe-claire，qc，ca)的阿拉查科技(alazartechnologies)有限公司的卡。
模拟计算机150包含为量子信息处理器154提供规定环境的环境子系统152。举例来说，规定环境的方面可包含湿度、空气压力、振动、磁场、温度及电磁场中的一或多者。在一些实施方案中，环境子系统152在量子信息处理器154周围提供低磁场。在一些实施方案中，环境子系统152在量子信息处理器154周围提供非时变磁场。在一些实施方案中，环境子系统152提供时变或脉冲式磁场。在一些实施方案中，环境子系统152经由一或多个冷冻单元及/或冷源将量子信息处理器154维持在低温温度。举例来说，可将量子信息处理器154维持在接近4k。量子信息处理器154的其它可用温度包含在从大约100mk到大约77k的范围中的温度。在一些实施方案中，环境子系统152维持在量子信息处理器154周围的环境具有大约290k的温度。在一些实施方案中，环境子系统152包含振动隔离装置，包含在冷冻单元中的阻尼器。在一些实施方案中，环境子系统152给量子信息处理器154提供低湿度及恒定空气压力(例如，稳定温和真空)环境。
量子信息处理器154包含一或多个量子位。量子位(qubit或quantumbit)是量子计算机的可与传统数字计算机中的二进制数字相当的逻辑构建块。量子位惯常地是具有称作计算状态或基础状态的两个或多于两个离散状态的经定义物理系统。基础状态逻辑上类似于二进制状态。这些状态可标记为|0c及|1>。在一些实施方案中，这些状态是物理系统的σ-z算子(泡利(pauli)矩阵算子)的本征态。此些量子位据称在z对角线基底中。量子位可在状态叠加(例如，α|0>+β|1>)中。系数α及β可是复数。可对一或多个量子位执行一或多个逻辑操作。这些操作可在规定时间(例如，在指定时间)发生或在规定周期以一频率发生。
在一些实施方案中，量子信息处理器154包含用以对一或多个量子位执行一或多个类型的单量子位操作的一或多个装置或子系统。单量子位操作的实例包含可与传统“非”门相当的σ-x或位翻转操作。σ-x操作实现建模为围绕x轴的布洛赫(bloch)球的量子状态的旋转。当旋转是π弧度时，状态|0>映射到|1>且反之亦然，即，完全位翻转。在一些实例中，量子信息处理器154可对一或多个量子位执行σ-y操作，而不具有传统二进制对应物。σ-y操作实现围绕y轴的旋转。如果所述旋转是π弧度，那么所述操作将状态|0>映射到i|1>且将状态|1>映射到-i|0>。所述σ-y操作有时称作泡利-y操作或门。在一些实例中，量子信息处理器154可对一或多个量子位执行σ-z或相位操作，而不具有传统对应物。σ-z操作实现围绕z轴的旋转。如果所述旋转是π弧度，那么所述操作将|0>映射到|0>且将|1>映射到-|1>。所述σ-z操作有时称作相位翻转或偏置操作或门。
在一些实施方案中，量子信息处理器154包含可耦合量子位的一或多个耦合器。双量子位耦合操作可是选择性操作。可对第一及第二量子位执行双量子位耦合操作。双量子位耦合操作的实例是cnot门，其中将两个量子位视为输入且第一量子位的输出状态是所述第一量子位的输入状态的“非”(以第二量子位的输入状态的状态为条件)。双量子位耦合操作的其它实例是伊辛(ising)耦合、对角线耦合或σ-zσ-z耦合。在量子信息处理器154中，量子位可通过若干个结构及装置以通信方式彼此耦合。在一些实施方案中，经由包含于量子信息处理器154中的单个耦合器调解量子位-量子位交互。在一些实施方案中，经由多个耦合器调解量子位-量子位交互。在一些实施方案中，量子信息处理器154耦合三个或多于三个量子位。量子信息处理器154包含一或多个光学结构作为耦合器。量子信息处理器154可包含一或多个光学共振器及/或一或多个波导作为耦合器。
模拟计算机150包含用以对量子信息处理器154进行写入及操纵的量子输入子系统156。在一些实施方案中，量子输入子系统156包含数/模转换器。在一些实施方案中，量子输入子系统156包含用以将窄或宽光谱光施加到量子信息处理器154的部分的光源。在一些实施方案中，量子输入子系统156包含用以将磁场提供到量子信息处理器154的部分或全部的电磁体。在一些实施方案中，量子输入子系统156包含用以将一或多个时间、持续时间及频率的控制脉冲选择性地提供到量子信息处理器154的一或多个发射器(例如，导线、天线、线圈)。脉冲产生器的实例是可从美国俄勒冈州比弗顿市(beaverton，or，us)的泰克(tektronix)有限公司购得的pspl10070atm。在一些实施方案中，所述发射器位于量子信息处理器154上。在一些实施方案中，所述发射器接近量子信息处理器154且耦合到其上的装置。可使用微波、rf及/或电磁控制脉冲。在一些实施方案中，量子输入子系统156联合控制子系统104用于对量子输入子系统156中的电子及/或核自旋执行电子顺磁共振(epr)及/或核磁共振(nmr)。在一些实施方案中，体块epr或nmr腔环绕量子信息处理器154。
在一些实施方案中，量子输入子系统156包含电(例如，流电地)耦合到包含于量子信息处理器154中的一或多个电极或电极对的导线。在一些实施方案中，量子输入子系统156从量子输入子系统156施加dc及ac电流以电偏置且控制量子信息处理器154。举例来说，量子输入子系统156可注入或从量子信息处理器154的一或多个部分移除载子(例如，电子及空穴)。或者，在一些实例中，提供静态或振荡电场或磁场。dc电流及电压可由例如电池供电式电压源等低噪声电源提供。所述电流及电压可通过电阻分压器/电压组合器施加。ac电流及电压可使用任意波形产生器或信号产生器(例如，可从美国加利福尼亚州千橡市(thousandoaks，ca，us)的特利丹科技(teledynetechnologies)有限公司购得的teledynelecroyarbstudio1104tm)施加到量子信息处理器154的部分。用于电子自旋共振(esr)的ac电流及电压可使用信号产生器(例如，可从美国加利福尼亚州圣克拉拉市(santaclara，ca，us)的安捷伦科技公司(agilenttechnologies)购得的agilente8257dtm微波模拟信号产生器)施加到量子信息处理器154的部分。从量子信息处理器154引导及/或引导到量子信息处理器154的线路(包含图1中所展示的那些线路)可包含滤波器，例如，低通、带通及高通滤波器。
模拟计算机150包含用以操纵量子信息处理器154且从量子信息处理器154读取的量子输出子系统158。在一些实施方案中，量子输出子系统158包含模/数转换器。在一些实施方案中，量子输出子系统158包含一或若干光学读出装置。光学读出装置检测由量子信息处理器154产生或在量子信息处理器154中产生的光子或者测量包含于量子信息处理器154上或中的光学结构的状态。例如共振器的光学结构支持一或多个光子模态。本文中描述光学结构的实例。在一些实施方案中，光学读出装置在一或多个光子在光学共振器中的存在还是不存在之间进行区分。在一些实例中，光学读出装置检测光学结构的一或多个光子模态的频率移位。一个光学读出装置可读出一或多个光学共振器的状态。光学结构的状态可取决于耦合到所述光学结构的深杂质(例如，施体原子)的状态。本文中描述深杂质的实例。
在一些实施方案中，数字计算机102使用量子输出子系统158来对量子信息处理器154中的信息执行逻辑操作。举例来说，量子输出子系统158可用于对量子信息处理器154执行测量。在包含强量子测量装置的一些实施方案(例如，本文中至少关于图7所描述的实例)中，测量可替换一或多个量子操作。可仅使用局部门及非局部(例如，奇偶性)测量来实现通用量子计算。
在一些实施方案中，量子输出子系统158对量子信息处理器154中的组件的状态执行单次读出。在一些实施方案中，量子输出子系统158以千兆赫速度对量子信息处理器154中的组件的状态执行读出。
在一些实施方案中，模拟计算机150以通信方式耦合到量子信息信道170。量子信息信道170可用于向及从量子信息处理器154发送量子信息。在一些实施方案中，省略数字计算机102及模拟计算机150的部分以形成包含量子信息处理器154及量子信息信道170的较小信息处理装置。
图2是图解说明量子信息处理器200的一部分的示意图。量子信息处理器200的所图解说明部分包含半导体材料202的衬底、放置(例如，植入)于半导体材料202内的示范性施体原子204及以通信方式耦合到示范性施体原子204的光学共振器206。
在一些实施方案中，半导体材料202是硅。在一些实施方案中，半导体材料202是自然硅。在一些实施方案中，半导体材料202是经纯化非顺磁硅。半导体材料202包含碳化硅或硅锗。增加物理系统的性能度量(例如，例如量子信息处理器200的系统的较长相干时间)的一种方式是使用具有大分率的非顺磁核的半导体材料。自然硅由大约95％非顺磁核(92.2％硅-28及3.1％硅-30)组成且可经纯化以移除一些到几乎所有非零核自旋同位素，例如硅-29。
可通过如下方式将这些稳定同位素分开：形成四氟化硅(sif4)气体且接着应用基于离心机或泻流的技术以将所述同位素分开。使用同位素地纯化的四氟化硅及/或从四氟化硅产生的同位素地纯化的硅烷(sih4)，可使用分子束外延(mbe)、化学气相沉积(cvd)等等以及其它方法形成同位素地纯化的硅的晶片及晶体。适合半导体材料202可从美国加利福尼亚州旧金山市(sanfrancisco，ca，us)的美国艾索弗雷克斯(isoflexusa)同位素供应公司购得。
施体原子204安置在半导体材料202的体块内。在一些实施方案中，施体原子204植入、沉积或放置在半导体材料202的体块或质量块内的深处。在至少一个实施方案中，所述放置较浅。举例来说，多个界面(例如，面、侧或边缘)界定半导体材料202的广度。在一些实施方案中，施体原子204安置在距所述多个界面中的每一界面大于10纳米的距离处。在一些实施方案中，施体原子204渐逝地耦合到光学结构(例如，共振器、波导、透镜)且定位在半导体材料202内的浅深度(例如，若干纳米)处。在一些实施方案中，施体原子204安置在距所述多个界面中的每一界面大于20纳米的距离处。在一些实施方案中，施体原子204安置在距所述多个界面中的每一界面大于30纳米的距离处。在一些实施方案中，施体原子204安置在距所述多个界面中的每一界面在30纳米与500纳米之间的距离处。在一些实施方案中，施体原子204安置在距所述多个界面中的每一界面在10纳米与2微米之间的距离处。在一些实施方案中，施体原子204安置在距所述多个界面中的每一界面在30纳米与1微米之间的距离处。位置越深，施体距可驻留在所述界面上的电荷越远。
施体类型及植入方法随实施方案而变化。离子植入的半导体工业标准技术可用于以可控制方式将施体原子204植入到半导体材料202中。美国专利3,434,894中描述一个植入过程。在一些实施方案中，施体原子204是稳定非气态硫族元素原子。即，具有硅中的替代性双施体电子结构的长寿命金属及非金属固体16族原子。实例包含硫、硒及碲。在一些实施方案中，使用特定同位素。实例包含硫-33、硒-77、碲-123及碲-125。适合同位素可从美国艾索弗雷克斯购得。在一些实施方案中，施体原子204是具有基本上大于热能kbt的离子化能量的“深能级杂质”或“深能级施体”，其中kb是波兹曼常数且温度t是室温(约293k)。浅施体的能量可与室温下的热能相当。本文中，“浅”及“深”以两种含义使用：一种是，限定一或多个施体原子的能量；且第二种是，限定一或多个施体原子的空间位置。对于所属领域的技术人员，在每一个别出现中尤其鉴于上下文而明了这些不同含义，例如，“能量”、“能级”、“光谱”对“安置”、“放置”、“位置”等等。
半导体材料202中的施体原子204定义量子位的部分或全部。在一些实施方案中，半导体材料202中的施体原子204包含具有不同磁自旋值的两个状态。在一些实施方案中，施体原子204具有对应于自旋向下|↓>的第一状态。在一些实施方案中，此标记为|0>，可与位中的“0”相当的量子位的逻辑状态。在一些实施方案中，施体原子204具有对应于自旋向上|↑>的第二状态。此可标记为|1>，可与传统位中的“1”相当的量子位的逻辑状态。本文中至少在图8或14处展示及描述施体原子的量子状态的实例。
在一些实施方案中，施体原子操作高达大约100千兆赫。即，可使用对应于这些状态的能量分裂的驱动频率(其是高达大约100千兆赫的频率)完成施体电子或核自旋的操纵。在一些实施方案中，描述施体原子202的哈密顿函数(hamiltonian)包含具有与高达大约100千兆赫的频率相关的量值的横向单量子位项(例如，σ-x项)。所述横向单量子位项是位翻转，即对第一状态进行操作以产生第二状态且反之亦然。
在一些实施方案中，施体原子204具有自旋选择性跃迁。在一些实施方案中，施体原子204具有大约1德拜(或大约3×10-30cm)的光学电跃迁偶极矩(μ)，其是比一些自由空间原子强的跃迁偶极值。放置在具有局部电场e(包含电场e的经对准部分)的匹配光学结构(例如，共振器206)内的原子的跃迁偶极矩μ引起与跃迁偶极矩和经对准部分电场的乘积成比例的共振器耦合强度。在一些实施方案中，施体原子204在对应于商购光学发射器、激光器、检测器、镜等等的波长的方便波长中具有一或多个跃迁。在一些实施方案中，所述波长对应于中ir波长。在一些实施方案中，施体原子204不显示明显的光子边带及/或双光子引发的光离子化。
量子信息处理器200包含光学共振器206。共振器、光学共振器、光学腔或腔是允许光波形成驻波的折射及反射材料界面的布置。共振器206的几何形状允许共振器206将能量存储为特定驻波、光子模态或模态。各种模态可具有特性波长，其中共振器(例如，一维腔)的特性长度等于所述特性波长的四分之一的整数倍数。共振器的模态具有频率。在一些实施方案中，所述模态对应于光学波长(频率)。示范性共振器206示意性地展示为两个凹面镜206-1及206-2。所述镜分开特性长度208。在一些实施方案中，特性长度208在1微米与10微米之间且包含1微米及10微米。在一些实施方案中，特性长度208在100纳米与1毫米之间且包含100纳米及1毫米。
在一些实施方案中，共振器206由特征(例如，空隙及突出部)界定。在一些实施方案中，共振器206由在半导体材料202的一或多个界面上且作为所述一或多个界面的部分的空隙(例如，孔隙、腔、凹陷部、凹槽、洞、刻痕、袋形区、凹部或狭槽)界定。举例来说，空隙可由从周围界面退避的界面界定。在一些实施方案中，共振器206由在半导体材料202的一或多个界面上或从所述一或多个界面凸出的突出部(例如，凸块、柱、脊、叶片)界定。在一些实施方案中，特征彼此间隔开大约100纳米。在一些实施方案中，空隙及突出部彼此间隔开大约500纳米或大致800纳米。在一些实施方案中，特征间隔开在300纳米与3微米之间且包含300纳米及3微米。
共振器206光学(例如，渐逝地)耦合到施体原子204。即，与共振器206中的光学模态相关联的电场与施体原子204的电子波函数重叠。在一些实施方案中，共振器206的模态具有与施体原子204中的跃迁匹配(即，共振)的频率，共振器频率。即，两个频率相同，或大约相同。此处，在目标频率的加或减10％的意义上使用“大约”。在一些实施方案中，大约相同的两个频率产生两个系统之间的较弱通信。在一些实施方案中，共振器206具有接近施体原子204的光学跃迁频率中的一或多者的共振器频率。光学耦合的实例是渐逝耦合。渐逝地耦合(或近场交互)包含当两个折射主体彼此充分地靠近而放置使得预期在第一主体中内部地反射的电场波传播到接近第二主体中时。
光学共振器的实例包含界定于绝缘体上硅材料中的结构。在一些实施方案中，例如共振器206的光学共振器具有104的质量因数。在一些实施方案中，光学共振器具有超过103的质量因数。在一些实施方案中，例如共振器206的光学共振器占据与(λ/n)3成比例的空间，其中λ是光子模态波长且n是包含于共振器中的材料的折射率。
半导体材料中的施体原子可耦合到光学共振器，例如，施体原子204及共振器206。举例来说，由绝缘体上硅材料形成的光学共振器可具有接近2.9微米的腔模态波长、超过104的质量因数及超过1mhz的耦合频率(即，真空拉比(rabi)频率)。原子-共振器耦合强度可由腔模态体积、原子相对于共振器的放置及所提供磁场(例如，由量子输入子系统156提供)的定向确定。共振器206经由一对频率的共振(匹配或接近匹配)耦合到施体原子204：共振器206中的腔或模态频率，及施体原子204中的跃迁频率。本文中，施体原子204中的跃迁频率或类似物可称为用于列举及识别目的且不建议为最低、次最低等等的第一跃迁频率、第二跃迁频率等等。
图3是图解说明量子信息处理器300的示范性部分的示意图。量子信息处理器300包含多个施体原子204及多个共振器206。对图3中的示意图的一种解释是包含施体原子204及共振器206的半导电芯片的平面图。
量子信息处理器300包含间隔开的多个施体原子，包含原子204a、204b及204c。包含原子204的所述多个施体原子与间隔开的多个共振器(包含共振器206a、206b及206c)相关联。在所图解说明实例中，所述多个施体原子204中的每一施体原子与共振器206中的相关联共振器沿至少一个轴对准。在各种实施方案中，施体原子间间隔的所需要精确度是低的。
在一些实施方案中，量子信息处理器300包含包括两个或多于两个施体原子204及一或多个共振器206的量子寄存器。在一些实施方案中，量子信息处理器300包含接近两个或多于两个施体原子204及一或多个共振器206的一或多个单电极。所述电极可上覆于半导体材料202上。在一些实施方案中，量子信息处理器300包含接近且骑跨两个或多于两个施体原子204及一或多个共振器206的一或多对电极。骑跨包含横跨及跨立的安置。
在一些实施方案中，共振器206a、206b及206c是较大共振器布置的部分。举例来说，所述较大布置是二维平铺。共振器206a与共振器206b间隔开距离302。共振器206b与共振器206c间隔开距离304。共振器206c与共振器206a间隔开距离306。在一些实施方案中，共振器的交错是规则的且距离302、304及306中的两者或多于两者是相同的。
在所图解说明实例中，距离302、304及306是大约特性衰减长度λ/n的距离，其中λ是光子模态波长且n是将共振器206a、206b及206c分开的材料的折射率。举例来说，λ可是与共振器206a、206b及206c中的优势光子模态相关联的平均波长。在一些实施方案中，共振器之间的距离是特性衰减长度的十倍。在一些实施方案中，特性波长是将共振器206a、206b及206c分开的一或多种介质中的波长。举例来说，在硅中，波长减小大约3的因数，即，对于一些波长λ，n(λ)≈3.45。
在一些实施方案中，量子信息处理器300包含多个耦合器，其中每一耦合器包含两个共振器。举例来说，共振器206a及206b是用于施体原子204a及204b的耦合器。
在一些实施方案中，共振器206a、206b及206c通过波导来耦合。在一些实施方案中，距离302、304及306可小到一微米且长到若干米。在一些实施方案中，共振器206a、206b及206c在不同半导体衬底上且通过波导或光纤耦合。在一些实施方案中，与第一半导体衬底一起所包含的第一多个施体原子及共振器光学耦合到与第二半导体衬底一起所包含的第二多个施体原子及共振器。在一些实施方案中，远程衬底通过包含于类型ii量子计算机(通过有损耗或传统信道耦合的较小量子系统)中的一或多个波导耦合。
图4是图解说明包含一对施体原子204d及204e的量子信息处理器400的示范性部分的示意图。所述对施体原子中的每一施体原子与共振器(例如，共振器206d及206e)相关联。共振器206d及206e可界定在从衬底退避的半导电结构内。在一些实施方案中，共振器206d及206e从衬底凸出且主要地通过自由空间(例如，真空或空气)分开。在一些实施方案中，所述共振器主要地通过例如氮化硅的包覆材料分开。共振器206d与206e之间的距离402是大约所述对共振器的特性波长的距离。在一些实施例中，所述特性波长是将所述对共振器分开的一或多种介质中的波长。所述对共振器之间的自由空间与介入固体材料的对比允许共振器之间的较大距离或具有较大耦合强度的相等距离。
图5是图解说明量子信息处理器500的示范性部分的示意图。量子信息处理器500包含多个施体原子504-0、504-1、504-2、504-3及504-4，统称为504。量子信息处理器500包含多个共振器506-1、506-2、506-3及506-4，统称为506。共振器可插置在第一施体原子与第二施体原子之间。举例来说，共振器506-1插置在施体原子504-0与施体原子504-1之间。如图5中所图解说明，共振器506-1的明显形心及主轴(例如，纵轴)两者与施体原子504-0及施体原子504-1一致。然而，如果共振器耦合到接着将“插置在其之间”的第一施体原子及第二施体原子，那么共振器的形心及主轴两者均不需与第一施体原子及第二施体一致。
每一施体原子与多个共振器相关联，且以通信方式耦合到多个共振器。以此方式，施体原子可经由共享共振器以通信方式耦合。可以可构造共振器206的相同方式来构造共振器506。
量子信息处理器500的示范性部分可延伸。在一些实施方案中，共振器506及施体原子504是较大共振器与施体原子布置的部分。举例来说，所述较大布置是二维平铺，即多个施体原子504-0、504-2及504-3及共振器506形成示范性量子信息处理器的可重复子部分。可重复子部分可平铺在较大区上方。
在各种实施方案中，关于施体原子间间距的所需要精确度是低的。施体原子504可具有既定交错，但也具有高达50nm或高达且包含100nm的分散(即，脱离既定位置的距离)。此容限有利地与植入技术的精确度进行比较。
在一些实施方案中，量子信息处理器500包含多个耦合器，其中每一耦合器包含共振器。举例来说，共振器506-1是用于施体原子204a及204b的耦合器。本文中至少关于图12描述耦合器的操作。
图6是图解说明包含一对光学共振器及一对施体原子的量子信息处理器600的示范性部分的示意图。量子信息处理器600的所述示范性部分包含界定于半导体衬底602中的光子晶体。
光子晶体是周期性光学结构，所述周期性光学结构影响光子在所述结构内及穿过所述结构的运动。即，其强烈地拘限光。光子晶体由带隙或阻带表征。带隙是光子频率范围，如果忽视隧穿效应，那么无光子可以所述光子频率范围透射穿过材料(例如，半导体衬底602)。光子晶体的制作方法取决于光子带隙必须存在于其中的维度的数目。
在一些实施方案中，一或多个量子信息处理器的制作包含针对cmos晶片使用半导体制作设施、机器及程序。在一些实施方案中，量子信息处理器的制作包含薄膜沉积、图案化及蚀刻。除非特定上下文另外需要，否则贯穿此说明书，如“沉积(deposit及deposition)”等术语用于囊括任何材料沉积方法，包含但不限于物理气相沉积(pvd)、化学气相沉积(cvd)、等离子体增强型pvd、等离子体增强型cvd及原子层沉积(ald)。除非特定上下文另外需要，否则贯穿此说明书，如“图案化(pattern及patterned)”等术语用于囊括通过以下方式按特定形状或图案在衬底上、在所述衬底中及上覆于所述衬底上形成材料或者形成所述衬底的任何方法：施加且处理掩模材料(例如，抗蚀剂)，且经由暴露于辐射(例如，光或电子)而在所述掩模材料中以若干几何形状进行界定。蚀刻根据通过光阻剂或其它掩模确定界线的所要图案移除材料层，例如，衬底、半导体层、电介质层、氧化层、电绝缘层及/或金属层。示范性蚀刻技术是湿式化学蚀刻、干式化学蚀刻、等离子体蚀刻、物理蚀刻及反应离子蚀刻。
量子信息处理器600包含半导体衬底602。半导体衬底602包含或支撑一或多个共振器。在半导体衬底602内或上界定包含两个或多于两个特征(例如，空隙及突出部)的大体周期性光学结构。如图6中所图解说明，特征晶格(晶格604)界定于半导体衬底602中或上。
在一些实施方案中，特征晶格604是界定于半导体衬底602中的洞(例如，圆柱体、凹陷部、洞、刻痕或空隙)。晶格604可是规则的，例如，等边三角形晶格。在等边三角形晶格的情形中，两个参数界定规则三角形晶格。晶格常数界定洞之间(中心与中心)的距离。半径界定晶格604中的洞(例如，洞603)的大小。后者可表达为前者的小部分。在一些实施方案中，共振器的内部(或腔)由晶格中的一或多个中断界定。在一些实施方案中，所述中断是从晶格缺失或在晶格内位移的特征。举例来说，特征的不存在导致特征图案中的中断。另一实例是存在但从常规位置侧向移位的特征。如600中所展示，多个洞自晶格604缺失。这些包含晶格中断606-1及606-2。晶格中断606-1界定一维共振器的内部(或腔)。每一晶格中断由主轴及沿着或平行于所述主轴的空间广度或长度l(线节段610)表征或描述。
量子信息处理器600的部分包含光学共振器608-1及光学共振器608-2。光学共振器608-1(608-2)包含半导体衬底602及晶格604的部分以及晶格中断606-1(606-2)。共振器(例如，光学共振器608-1)内侧的电场可经设计以漏出。
量子信息处理器600包含多个施体原子。示范性施体原子612放置在光学共振器608-2中。在一些实施方案中，施体原子放置在光学共振器的光子模态的腹点处。腹点包含节点之间的最大振幅的区域。举例来说，施体原子612放置在大约光学共振器608-2的中点处。在一些实施方案中，施体原子远离共振器的中心而放置。举例来说，施体原子613朝向光学共振器608-1的角落放置。施体原子613可耦合到共振器的不同模态或具有较小耦合强度。
量子信息处理器600包含与光学共振器608-1及光学共振器608-2通信的光学结构614。光学结构614可是支持一或多个传播模态的波导，或支持一或多个共振模态的共振器。
图7是图解说明包含光学共振器706及波导708(例如，光纤)的量子信息处理器700的示范性部分的示意图。施体原子704耦合到光学共振器706。经由光学共振器706与波导708的交互读出施体原子704的状态。
量子信息处理器700包含半导体衬底702，其中施体原子704植入于半导体衬底702中。施体原子704耦合到界定于半导体衬底702上或中的光学共振器706。光学共振器706以通信方式耦合到分开距离714的波导708。在一些实施方案中，波导708是芯片上光子波导。在一些实施方案中，使用光纤。
光源710沿着用以与光学共振器706交互的波导708发送光，且光在检测器712处被测量。光学共振器706耦合到施体原子704。施体原子704的状态影响光学共振器706的状态(例如频率)。在一些实施方案中，来自光源710的光传输穿过波导708且进入检测器712中将取决于光学共振器706的频率而变化。举例来说，针对特定波导-共振器间隔714，如果光源频率匹配光学共振器706的频率，那么到检测器712的传输将少于光源频率不同于共振器频率的情况。类似地，当光源频率匹配光学共振器频率时，往回到光源的光反射将减少。光源710与检测器712之间的光学信道的波长相依传输揭示到若干个附近施体自旋的任何耦合。如果光学共振器706耦合到光学跃迁的自旋选择性子集，那么此波长相依传输揭示所耦合施体自旋的自旋状态。在一些实施方案中，光学检测器包含用以检测波导708中的光的性质(例如，光学偏振、光子数目、光学强度、多个光子的相对不可分辨性、光学频率、检测时间、光的空间分布或类似物)的改变的电元件与光学元件的组合，所述性质可用于推断光学共振器706及所耦合深杂质(例如，施体原子704)的状态。
图8是图解说明对照背景磁场强度标绘的能量的图表800。图表800包含对照所耦合核自旋-1/2、电子自旋-1/2杂质系统的磁场标绘的本征态(即，所允许稳态)的能量。在图表800中，人工地放大核自旋分裂以图解说明特定特征。图表800包含在第一轴802上的能量及在轴804上的横向磁场。标绘核自旋(n)与电子自旋(e)的一系列能级806。跃迁810包含在1s:a基态(用单重态及三重态标记)与1s:γ7激发态之间。这些电子-核自旋状态标记在例如高于1特斯拉的高场极限中是良好量子数目。在一些实施方案中，替代例如硒-77的核自旋-1/2同位素而使用具有自旋-0或自旋-3/2的核同位素(例如，分别为硫-34及硫-33)，此相应地变更能级结构。
针对具有给定电子-核耦合的给定电子-核自旋-1/2系统，存在称作“时钟跃迁”的特定磁场808，其中核自旋状态的跃迁频率的导数是零。在一些实施方案中，此磁场用于通过降低其跃迁频率对磁场波动的灵敏度而进一步延伸核自旋相干时间。随着磁场增加，不同状态的能量发散。在一些实施方案中，较高核自旋系统另外拥有电子自旋时钟跃迁，其中电子自旋状态的跃迁频率的导数是零。
量子计算及量子信息处理的计算状态随实施方案而变化。在一些实施方案中，所述计算状态基于深杂质(例如，施体原子)的核自旋。实例性编码是|0>＝|↓>n及1>＝|↑>n。在一些实施方案中，所述计算状态基于杂质的电子自旋。实例性编码是|0>＝|↓>e及|1>＝|↑>e。在一些实施方案中，所述计算状态基于杂质的电子自旋及核自旋。这些是单重态/三重态量子位，其中单重态是自旋-0且三重态是三重简并自旋-1状态。举例来说，|0>∝|↑↓>-|↓↑>且|1>∝|↑↓>+|↓↑>，|1>＝|↓↓>，且|1>＝|↑↑>。第一自旋可是电子自旋且第二自旋是核自旋。在一些实施方案中，|0>及|1>量子位状态由基态(举例来说标记为1s:a的能级)及光学激发态(举例来说标记为1s:t2的能级)定义。
描述在存在磁场(例如，
前两个项是电子及核自旋的塞曼(zeeman)项，而第三项是超精细交互。在此处，μb是波耳(bohr)磁元，μn是核磁元，且ge及gn是电子及核g因数。
图9图解说明用于量子信息处理器的操作的实例性方法900。对于方法900，与本文中教示的其它方法一样，可以不同于所图解说明及描述的次序的次序执行各种行动。另外，方法可省略一些行动，及/或采用额外行动。可通过或经由一或多个电路(例如一或多个硬件处理器)执行方法900的一或多个行动。在一些实施方案中，通过控制器(例如，系统100的控制子系统104)执行方法900。
方法900通常通过来自控制器的调用而开始。在902处，控制器致使准备一或多个量子位。在一些实例中，控制器致使将一或多个杂质(例如，施体原子)及一或多个光学结构(例如，光学共振器或波导)初始化。
在904处，控制器任选地致使执行一或多个量子位中的单量子位操纵。在一些实施方案中，控制器致使量子输入子系统将磁共振脉冲及/或机械脉冲及/或电脉冲及/或光学脉冲施加到一或多个深杂质及/或一或多个光学结构。在一些实施方案中，单量子位操纵包含应用σ-x操作。
在一些实施方案中，可使用磁共振操纵自旋量子位。在一些实施方案中，可使用光学脉冲操纵自旋量子位。这些磁场或光学控制场可施加到单个深杂质、单个光学结构、多个深杂质及/或多个光学结构。在一些实施方案中，可使用(举例来说)磁场梯度、应变或电场在外部控制个别深杂质及光学结构的特性(举例来说，频率及耦合强度)。此允许全局控制场对深杂质及光学结构的子集选择性地起作用。
在一些实施方案中，控制器执行行动906、908及910中的一者。在906处，控制器致使模拟计算机将光子或飞行量子位互转换成自旋量子位状态及/或反之亦然。在一些实施方案中，控制器致使量子输入子系统及/或量子输出子系统将光子量子位互转换成自旋量子位状态或将量子位互转换成光子量子位状态。在908处，控制器致使经由一或多个光学结构耦合两个或多于两个深杂质。在910处，控制器致使读出一或多个深杂质及/或一或多个光学结构。方法900结束直到再次被调用为止。
图10图解说明用于量子信息处理器的操作的实例性方法1000。方法1000是行动902的实施方案。对于方法1000，与本文中教示的其它方法一样，可以不同于所图解说明及描述的次序的次序执行各种行动。另外，方法可省略一些行动，及/或采用额外行动。可通过或经由一或多个电路(例如一或多个硬件处理器)执行方法1000的一或多个行动。在一些实施方案中，通过控制器(例如，系统100的控制子系统104)执行方法1000。
方法1000通常通过来自控制器的调用而开始。在1002处，控制器致使模拟计算机及/或环境子系统为量子信息处理器准备经隔离环境以为一或多个杂质及/或光学结构提供环境。举例来说，量子信息处理器可包含一或多个深杂质(例如，施体原子)及一或多个光学结构(例如，共振器)。
在1004处，控制器致使模拟计算机102及/或量子输入子系统156准备处于选定电荷状态(例如，单离子化状态)中的一或多个杂质(例如，施体原子)。举例来说，施体原子(例如，施体原子204，即，稳定非气态硫族元素原子)是安置在半导体材料202中的原子。在根据方法1000操作量子信息处理器中，可将此些施体原子单离子化。两个电子在其电中性状态中束缚于硫族元素施体原子，从而使其为类氦或双施体。硫族元素施体原子的第一电子的结合能量比第二电子的结合能量小得多，例如，小2的因数。使用各种方法，从施体原子剥除一个电子，从而使其为类氢的。即，可将双施体单离子化。一种准备类氢施体原子的方法包含光离子化：施加具有大于自然施体原子结合能量的能量的光。第二方法涉及用附近电极使装置电偏置。在一些实施方案中，量子信息处理器包含在半导体材料内用以接收自由电子的受体位点。适合用于受体位点的一种材料是硼。受体可包含来自iii族(13)的受体，例如，硼、铝、镓及铟。
在1006处，控制器致使将一或多个光学结构(例如，光学共振器或波导)初始化。举例来说，在低温下且在长时间之后，一或多个光学共振器将不具有剩余的光子。即，在特定环境(例如，低温)中，光学共振器将是未热填充的(即，零光子)，且因此通过与环境的平衡来初始化。
在1008处，控制器致使模拟计算机150及/或量子输入子系统156将一或多个杂质及/或光学结构准备为处于基准状态中。所述基准状态取决于由量子信息处理器使用的计算状态。在一些实施例中，一或多个量子位处于状态|0>中。为将杂质的自旋状态初始化，存在若干种技术。在一些实施方案中，特定光学频率的施加可用于将杂质的自旋驱动到预定初始状态中。在一些实施方案中，测量所述自旋且在必要的情况下使用磁共振(例如，epr、nmr)或脉冲光学技术将每一量子位操纵到所要状态是可能的。即，在计算的开始，将量子信息处理器中的每一量子位初始化使得其具有已知且良好定义的计算(逻辑)状态，例如，核自旋状态、电子自旋状态或组合。此可通过读出每一量子位来实现。当量子位的所测量状态是错误的时，控制器操纵量子位的状态以与正确初始状态对准。在一些实施方案中，所述量子位是核自旋。在一些实施方案中，所述量子位是电子自旋。在一些实施方案中，举例来说使用接近零磁场，电子-核自旋量子位经描述为单重态/三重态量子位。也可使用与针对个别电子-核自旋情形所描述相同的技术来将单重态/三重态初始化。在一些实施方案中，同时采用以上量子位的组合。
图11图解说明用于量子信息处理器的实例性操作的方法1100。方法1100是图9的行动908的实施方案。对于方法1100，与本文中教示的其它方法一样，可以不同于所图解说明及描述的次序的次序执行各种行动。另外，方法可省略一些行动，及/或采用额外行动。可通过或经由一或多个电路(例如一或多个硬件处理器)执行方法1100的一或多个行动。在一些实施方案中，通过控制器(例如，系统100的控制子系统104)执行方法1100。
半导体材料中的施体原子可通过与本文中所描述的系统及装置兼容的若干种方法以通信方式彼此耦合。在一些实施方案中，施体原子将经由单个光学结构及/或多个光学结构及/或飞行光子耦合。图5展示耦合两个深杂质的光学结构的实例。图3展示耦合两个深杂质的两个光学结构的实例。本文中展示用以互转换光子与量子位的方法。
方法1100展示三个行动1102、1104及1106，但在一些实施方案中仅执行一个行动。在一些实施方案中，多个经耦合量子位包括具有多个跃迁频率的多个施体原子。当每一量子位与每一其它量子位及一或多个光学结构近共振时，且当每一量子位与每一光学结构接近(例如，在可与特性距离相当的距离内)时耦合所述多个量子位。
方法1100通常通过来自控制器的调用而开始。在1102处，控制器致使模拟计算机及/或量子输入子系统调谐光学结构(例如光学共振器)。
不同调谐方法适合于(解)调制光学结构以用于控制或校准目的，例如，将施体原子耦合到所述光学结构，或克服多个光学结构之间的共振频率的变化。在一些实施方案中，控制子系统经由接近光学结构的电极注入电载子。举例来说，电极与例如半导体材料202的衬底电接触，且安置在光学结构的任一侧。
在一些实施方案中，量子信息处理器包含用以使半导体材料体块应变的装置。在一些实施方案中，应变施加到包含光学结构的半导体材料。控制子系统可导致包含一或多个光学结构及/或一或多个施体原子的半导体材料的区域的压缩或拉伸(一般来说，应变)。当应变改变光学结构的特性尺寸(例如，共振几何形状)及/或性质时，存在光学结构的频率(例如，共振器频率)的改变。应变也可用于改变施体原子的光学跃迁频率。半导体衬底中的应变(例如，沿一个方向的应变)是对1s:a基态具有小效应但改变1s:γ7激发态的能级及因此这些状态之间的能量差的机械力。参见图8中的跃迁810。
在一些实施方案中，用以使半导体材料应变的装置包含经由两个电极电耦合到电源的压电材料，例如，锆钛酸铅、钛酸钡或钛酸锶。控制器使在两个电极之间传递且穿过压电材料的电流变化，且使半导体材料应变。在一些实施方案中，所述装置包含用以使包含于光学结构中的半导体体块应变的微机电系统(mems)。
在一些实施方案中，量子信息处理器包含半导体体块中的静态应变。结构层中的残余膜应力梯度引发应变梯度。可通过压电及/或mems抵消或加强所述静态应变。
在1104处，控制器致使模拟计算机及/或量子输入子系统调谐半导电材料中的第一杂质(例如，施体原子)集合。在一些实施方案中，所述第一集合包含一个施体原子。在一些实施方案中，所述第一集合包含多个施体原子。在一些实施方案中，控制器经由输入子系统导致半导体材料中的应变以改变施体原子的光学跃迁频率。在一些实施方案中，控制器致使输入子系统施加磁场以改变多个施体原子的光学跃迁频率。在一些实施方案中，控制器致使输入子系统操纵多个施体原子的自旋状态以改变其光学跃迁频率。
在1106处，控制器致使模拟计算机及/或量子输入子系统调谐半导电材料中的第二杂质(例如，施体原子)集合。所述集合可是一或多个施体原子。控制器可经由应变及/或磁场实现调谐。通过使用具有空间梯度的磁场，控制器可选择且调谐特定施体原子。
在1108处，在适合周期之后，控制器致使模拟计算机及/或量子输入子系统解调谐不共振的第一杂质集合、第二杂质集合及一或多个光学结构中的一或多者。所述周期确定耦合。在实例中，如果第一及第二施体原子集合包含一个施体原子，那么所述多个量子位之间的交互是时变系数与多量子位对角线项的乘积。举例来说，在两个量子位的情形中，耦合项可具有如下形式：
其中hc是交互的哈密顿函数算子，j(t)是时变系数且
图12是图解说明用以读出施体原子的状态的方法1200的实例性实施方案的流程图。方法1200是图9的实施方案行动910。对于方法1200，与本文中教示的其它方法一样，可以不同于所图解说明及描述的次序的次序执行各种行动。另外，方法可省略一些行动，及/或采用额外行动。可通过或经由一或多个电路(例如一或多个硬件处理器)执行方法1200的一或多个行动。在一些实施方案中，通过控制器(例如，系统100的控制子系统104)执行方法1200。
在1202处，控制器接收表示光学耦合到杂质(例如，施体原子)的光学结构(例如，光学共振器)可已接收光子的非零可能性的信息。举例来说，所述光学共振器耦合到包含于计算中的施体原子。在1202之后，控制器可执行行动1204或行动1206。
在1204处，控制器经由量子输出子系统对光学结构(例如，光学共振器)中的光子的数目进行计数。可推断耦合到光学结构的施体原子的状态。
在1206处，控制器经由量子输出子系统通过测量以通信方式耦合的光学结构(例如，光学共振器)的光学频率或其它光学特性而推断施体原子的自旋状态。在一些实施方案中，可通过测量以通信方式耦合的光学结构的光学频率或其它光学特性而推断多个施体原子的自旋状态的奇偶性。
施体原子的状态影响光学结构的状态(例如，频率)。通过致使光传输到光学结构上且观察光的反射及/或吸收，可推断耦合到光学结构的任何一或多个施体原子的状态。所述光在光学共振器的共振下可是具有非平凡光谱密度的黑体光。所述光可是匹配施体原子及/或共振器的一或多个共振的窄光谱光。如果光源频率匹配共振器频率，那么将吸收且以其它方式反射光。如果所耦合施体原子的状态影响共振器的共振，那么可从吸收及反射数据推断施体原子的状态。在各种实施方案中，单个光子可用于推断自旋量子位状态。在各种实施方案中，多个光子可用于推断自旋量子位状态。
在1208处，控制器传回光子计数或频率移位的结果。在一些实施方案中，控制器存储光子计数或频率移位的结果。
在一些实施方案中，读出装置及耦合器用于实施量子信息处理器上的量子误差校正码。量子误差校正码可用于改进量子计算机的性能。最近，表面码已作为有用方法而出现。这些具有对物理量子位中的误差的高容限。表面码具有大约1％的容错阈值。即，如果门模态量子计算中随每一时间步长的误差的概率小于1％，那么武断地相信长计算是可能的。即，所述码将针对任何误差进行校正。通常，在表面码实施方案中，每一物理量子位耦合到其最近相邻者，从而形成二维栅格，其中一半为用于存储量子信息的量子位、逻辑量子位且另一半为用作辅助量子位以进行误差校正的量子位。然而，如果两个量子位经由共振器或经由波导耦合但彼此不接近，那么表面码可与逻辑上接近的量子位一起使用。
图13a是图解说明用以将飞行量子位(即光子)的状态转换成固定量子位的状态的方法1300的实施方案的流程图。
在1302处，量子信息处理器在光学结构(例如，共振器)处接收光子。所述光子可在例如量子位间耦合器的波导或例如系统100的信道170的量子通信信道中。所述光学结构光学耦合到半导体衬底中的施体原子。在一些实施方案中，所述光子具有第一量子状态。
在1304处，量子信息处理器形成半导体衬底中的施体原子中的第二量子状态。在一些实施方案中，光子具有取决于第一量子状态(例如，与状态之间的映射相同、对应于所述映射)的第二量子状态。即，量子信息处理器是光子存储器。在此处，对应意味第一状态及第二状态在基础状态方面不同，但在相应基础状态的振幅方面对准。
图13b是图解说明用以将固定量子位的状态转换成飞行量子位中的状态的方法1350的实施方案的流程图。
在1352处，量子信息处理器形成半导体衬底中的施体原子中的第一量子状态。所述施体原子光学耦合到光学结构，例如，波导。
在1354处，量子信息处理器形成离开光学结构的光子中的第二量子状态。在一些实施方案中，所述光子具有取决于第一量子状态的第二量子状态。即，量子信息处理器可形成飞行量子位。在一些实施方案中，光子进入光学结构，例如波导、透镜或共振器。
施体原子可用于发射以通信方式耦合到波导的光子。在一些实施方案中，可电触发光子的发射。在一些实施方案中，可光学触发光子的发射。在一些实施方案中，所发射光子将与多个施体原子量子位量子纠缠在一起。在一些实施方案中，光子将不与任何施体原子量子位纠缠在一起。
单离子化硫族元素施体原子具有多个电子轨道激发态，标记为近似裸氢原子。这些能级包含1s、2s及2p。当在具有六个等效传导带谷的硅晶格中时，1s能级进一步分裂成十二个能级。在递减结合能量中列出，这些能级是：两个用于1s:a基态；两个用于1s:t2(γ7)能级；四个用于1s:t2(γ8)能级；且四个用于1s:e能级。在一些实施方案中，可将施体原子及因此具有类氢轨道的电子泵激到例如2p的较高激发态中。依据此激发态，电子经历向下到1s:t2(γ7)的串级过程，依据此其发射光子以达到基态1s:a。以此方式，施体原子可充当确定性单光子源。在一些实施方案中，直接将施体原子泵激到1s:t2(γ7)中且接着在某一特性延迟之后，施体将发射光子。在一些实施方案中，施体原子直接耦合到波导。在一些实施方案中，施体原子耦合到共振器，所述共振器又耦合到波导。在一些实施方案中，所耦合光子结构匹配多个跃迁频率。在一些实施方案中，所发射光子量子位将拥有频率、偏振及/或空间模态的叠加，其状态与施体原子量子纠缠在一起。
自旋到光子转换：存在从1s:a到1s:t2(γ7)的四个电子跃迁。这些跃迁中的两者沿着周围磁场的方向线性偏振，且另外两个跃迁负及正圆形偏振。在一些实施方案中，将施体原子自旋量子位放置到线性偏振光学腔中。接着可通过激发原子而将输入自旋叠加转移到光子中。一旦被泵激到激发态中，其稍后将发射匹配输入自旋状态叠加的频率叠加中的光子。在一些实施方案中，通过将施体原子放置到手性光子组件(例如，手性波导)中而将编码于自旋量子位中的信息转移到空间模态中，此将相对圆形偏振光子引导到相对空间方向中。接着将光子发射到对应于输入叠加自旋状态的路径叠加中。在一些实施方案中，自旋量子位叠加使靠近于入射光子的路径的光学共振器的频率移位，此又引导、反射或相移入射光子以使其状态与自旋量子位的状态纠缠在一起。在一些实施方案中，频率匹配的光子入射于光子结构中的施体原子上，其中吸收且稍后重新发射共振光，且仅仅反射非共振光子。输出光子接着与量子位的自旋状态时间分格(time-bin)纠缠在一起。
光子到自旋转换：在一些实施方案中，可通过用单个光子填充光学结构(例如，共振器)而发生光子到自旋转换。当光子存在于光学共振器中时，深杂质(例如，施体原子)的可用光学频率根据杰恩斯-卡明思(jaynes-cummings)模型而改变。此意味可在光学共振器中存在光子时对电子自旋选择性执行几何操作，从而准许光子到自旋量子位转换。在一些实施方案中，可通过强非共振驱动(“虚拟”过程)发生光子到自旋转换。如果单个光子的频率通过精确地电子自旋的能量分离而不同于强泵束，那么单个光子可用于使电子自旋翻转(以单个输入光子的频率为条件)。在一些实施方案中，传入光子量子位可经历量子隐形传送到自旋量子位状态中。可通过共同对传入光子及与施体自旋量子位纠缠在一起的次级光子执行奇偶性测量而实施量子隐形传送。
柏塞尔(purcell)损耗：通过将光学结构(例如，共振器)耦合到两个自旋基态的子集(例如，两者中的一者)，避免归因于光学结构或共振器的柏塞尔损耗。包含量子位的量子装置的状态最终将在特性时间周期内衰减。两个常见衰减机制是具有相关联关系或t1时间的振幅或激发的松弛。第二个是具有相关联移相或t2时间的相位扰动。较长特性时间允许信息存储更久或执行更多量子操作。数个因数可促成衰减机制。针对半导体衬底中的深杂质，衬底自身可是一个去相干源。具有接近量子位频率的频率的共振模态可致使量子位衰减。此称为柏塞尔损耗。
如先前所提及，深杂质(例如，施体原子)可用于发射以通信方式耦合到波导的光子。再次考虑图1中的系统100。量子信息处理器154可将光子发射到量子信息信道170(波导的实例)中。一旦包含于量子信息处理器154中的杂质或光学结构发射光子，量子信息信道170便可收集且传输光子。量子信息信道170的实例包含光纤(opticalfiber)(也称光纤，fiberoptical)及自由空间。
可发生逆过程。在一些实施方案中，吸收入射于光学结构中的深杂质上的频率匹配的光子。举例来说，经由量子信息信道170行进的光子可经发射且引导到量子信息处理器154。从量子信息信道170发射的光子可由包含于量子信息处理器154中或上的深杂质或光学结构收集。
量子信息处理器154可以不同方式光学耦合到量子信息信道170。举例来说，光学耦合可是渐逝地耦合。考虑图7，光源710沿用以与光学共振器706交互的波导708发送光。量子信息处理器154或量子信息信道170的一或多个表面的一或多个部分可包含抗反射涂层或膜以更有效地收集或传输一或多个光子。光纤的一部分可涂覆有抗反射膜，例如，纤维的入射/出射光瞳的广度。透镜可安置在量子信息信道170与量子信息处理器154之间。在一些实施方案中，在量子信息处理器154与量子信息信道170之间移动的光子可由透镜聚焦或引导。
量子信息处理器154及系统100的其它部分可用作单光子源。量子信息处理器154中的深杂质可充当确定性单光子源。单光子源可是可销售物件的部分、可是销售物件，或产生可销售物件，即，光子。在一些实施方案中，包含于量子信息处理器154中的深杂质由光源(例如，包含于量子输入子系统156中)直接泵激到1s:t2(γ7)状态中且在某一特性延迟之后杂质将发射光子。
单光子源可在光学量子密码系统(qcs)中，其中(举例来说)发送器及接收器创建共用秘密信息。当将系统100操作为qcs时，发送器经由量子信息信道170将单光子流传输到接收器。举例来说，系统100将光子发送到另一装置。每一光子将对信息位编码。截取所述流的窃听者将与一或多个光子交互。这些所截取光子的状态将与由所述光子编码的信息一样而变更。因此，发送器及接收器可确定是否已截取其通信，且如果未截取，那么使用所述通信来创建共用秘密信息。
系统100的部分可使用共用秘密信息来创建在机器(例如，计算机器及通信机器)的操作中使用的信息。举例来说，系统100可与发送器相关联且通过使用通信作为到密码本的产生器的种子而创建密码密钥，举例来说，一次性密码本。举例来说，系统100可与接收器相关联且执行定义密钥产生方法(例如，布卢姆布卢姆舒布(blumblumshub)方法、亚罗(yarrow)方法等等)的处理器可执行指令。系统100的部分及对应物系统(图1中未展示)可使用虚拟专用网络的密钥一致性协议中的共用秘密信息。应用程序指令126包含在经执行时致使系统100使用系统100的部分作为通信装置以产生种子、密钥、临时值(nonce)、杂凑等等的处理器可执行指令。
系统100的部分、单光子源可用作随机数产生器。随机数产生器可用于向伪随机数产生器播种以形成初始化向量、杂凑函数的参数、临时值、加密盐或密钥等等。数字计算机102可经由量子输入子系统156及量子输出子系统158与量子信息处理器154交互以形成一或多个随机数。数字计算机102可产生包含表示一或多个随机数的信息的信号。数字计算机102经由控制子系统104可致使经由网络接口子系统110及网络或非网络通信信道(未展示)传输表示一或多个随机数的信息。可经由量子信息信道170发送表示一或多个随机数的信息。数字计算机102经由控制子系统104可致使表示一或多个随机数的信息作为处理器可读信息存储于至少一个非暂时性计算机与处理器可读存储装置108上。
可超出随机数及密码学的范围而使用包含或操作为单光子源的系统100的部分。单光子源可是光学装置、光谱学及计量学的低噪声源。许多光源以随机地波动从而限制其效用的速率发射光子。此不确定性称为抖动。以规则时间间隔产生光子的单光子源可具有经减少抖动。
与本文中的示范性系统、装置、方法及物件一致，处理器可致使信息通过通信信道(例如，光纤、纤维、网络或非网络通信信道)传输。在发送器与接收器之间的较长分离的情形中或在联网通信信道的情形中，将系统100的部分操作为量子中继器是有用的。在一些实施方案中，量子中继器提供光子到原子量子位互转换。本文中至少在图9及13处描述用以互转换固定量子位(例如，固态)与飞行量子位(例如，光子)的方法的实例。在量子中继器的操作中，将飞行量子位(即，光子)的状态转换为固定量子位的状态。举例来说，参见图13a中所图解说明的方法1300。接着将固定量子位的状态转换成飞行量子位的状态。举例来说，参见图13b中所图解说明的方法1350。
可根据在腔量子电动力学(腔qed)领域开发的方法操作或引导本文中所描述的示范性系统及装置。腔qed涉及单原子与单电磁场模态或其等的多个的交互。考虑与单电磁场模态交互的双能级原子。所述系统可经建模为不交互双能级原子、电磁场模态、其等的交互及其等到环境的耦合的哈密顿函数。使用众所周知的近似法(例如，偶极与旋转波)，杰恩斯-卡明思哈密顿函数是用分析法可解的。进一步，哈密顿函数的状态可限制为四(4)个状态：原子的基态或激发态，且电磁场模态包含n或n+1个光子。可经由来自原子或电磁场模态的自发发射发生与环境的交互。当相关联衰减率小于单光子拉比频率时，接着可发生相干演化。一些量子计算机利用相干演化作为计算资源。
考虑图2的示范性施体原子204。施体原子204可包含单离子化施体77se+及束缚于单离子化施体的单个电子。在零磁场下，超精细交互将施体原子204基态自旋能级分裂成电子-核自旋单重态及三重态。参见图8。在可用于施体原子的许多光学跃迁当中，到最低激发态1s:t2:γ7的激发具有适合性质。参见本文中至少在图13处的论述。在一些实施方案中，半导体材料202沿三个方向延伸数毫米到数十毫米且包括28si:77se+，其中残余29si为百万分之75且77se的施体密度为5×10-21m-3。此样本展示2.9μm的跃迁1s:a到/从1s:γ7(光学跃迁)，且已良好地表征至多0.007cm-1的线宽度。在一些实施方案中，信息处理器200可经建模为施体原子204与光学共振器206之间的强耦合。举例来说，施体原子204是放置在光学共振器206的模态最大值处具有匹配施体原子204的1s:a到/从1s:γ7跃迁的共振频率的77se+离子。
例如环境子系统152的环境子系统可以最大化施体原子204与光学共振器206之间的耦合的强度及方向施加磁场。对于信息处理器，如信息处理器200，多个基态与激发态之间的跃迁频率一般彼此不同，且根据所施加磁场而移位。因此，可取决于原子的自旋状态而选择性地耦合或解耦施体原子204及光学共振器206。
当施加磁场时，自旋基态及激发态以不同发散速率分裂。参见图8且注意1s:t2(γ7)、(1s:a1状态的)单重态及三重态如何以在轴804上表示的所施加磁场的不同能级分裂(具有在轴802上展示的不同能量)。
对于信息处理器，如信息处理器200，多个基态与激发态之间的跃迁频率一般彼此不同，且根据所施加磁场而移位。因此，可取决于原子的自旋状态而选择性地耦合或解耦施体原子204及光学共振器206。
可通过电场、磁场或机械应变的施加动态地调整深杂质与光学结构(例如，施体原子204与光学共振器206)的共振及选择性耦合。可用磁场、电场或机械应变控制个别杂质或光学结构的特性(举例来说，其频率及耦合强度)或个别杂质或光学结构的交互。
在一些实施方案中，量子信息处理器包含具有光学跃迁的一或多个施体原子。示范性施体是非气态稳定硫族元素原子。所述施体可具有非零核自旋，举例来说，一些硫族元素核同位素具有非零自旋，例如33s(自旋-3/2)、77se(自旋-1/2)以及123te及125te(两个自旋-1/2)。这些施体原子的基态具有与v族(15族)施体相同的自旋哈密顿函数，但具有分别大约312mhz、1.66ghz、2.90ghz及3.50ghz的大得多的超精细常数a。
在一些实施方案中，深杂质及电子因此可具有类氢轨道，即，28si:77se+的‘1s’类氢歧管。当在具有六个等效传导带谷的硅晶格中时，1s能级进一步分裂成十二个能级。
在一些实施方案中，量子信息处理器包含一或多个施体原子，即，双施体。当单离子化时，双施体具有甚至更大结合能量(s+的614mev、se+的593mev及te+的411mev)及具有中红外(‘中ir’)中的光学跃迁的类氢(或he+)轨道结构。在28si:77se+中，自旋基态到最低激发态之间的光学跃迁是充分窄的以甚至在极低或零磁场下是自旋选择性的。非气态稳定硫族元素原子的实例包含中性、离子化及双重离子化的原子，例如，s0(约300mev)、se0(约300mev)、te0(约300mev)、se+(593mev)、s+(614mev)、se+(593mev)、te+(411mev)、s++、se++及te++。正如深施体的单离子化电荷状态可耦合到光学结构，中性(例如，不带电)带电深双施体也容许到激发态的适合地窄的光学跃迁，且这些跃迁类似地能够强烈地耦合到光学结构。可采用双重离子化的原子作为核自旋量子位且接近光学结构可与双重离子化的电荷状态交互。在一些实施方案中，仅一个特定电荷状态用于定义量子位。在一些实施方案中，多个电荷状态用于定义量子位。
深杂质的实例包含金属群集，例如四个原子的群集，例如，cu4(1014mev)、cu3ag(944mev)、cu2ag2(867mev)、cu3pt(884mev)、cu3pt(882.36mev)、cu2lipt(850.1mev)、culi2pt(827.6mev)、li3pt(814.9mev)、ag4(778mev)、li3au(765.3mev)、culi2au(746.7mev)、cu3au(735mev)及cu2liau(735.2mev)。深杂质的实例包含金属群集，例如五个原子的群集，例如，culi3(au)(1090.2mev)、cu4au(1066mev)、cu3liau(1052.7mev)、culi2ag(909.9mev)、cu4pt(777mev)、cu2li2pt(694.6mev)、cu3lipt(725.6mev)及culi3pt(671.6mev)。深杂质的实例包含选自跃迁金属的金属原子或金属群集，例如，包含铜、银、金或铂的群集。在一些实施方案中，跃迁金属是来自周期表上的d区或3到12族的金属。在一些实施方案中，跃迁金属包含选自f区或镧系元素及锕系元素的金属。
深杂质的实例包含i及ii族(1及2族)原子或群集，例如2族双施体(例如，mg+(256.5mev)、mg0(107.5mev)及be)或1族施体(例如，li0及li+)。施体的实例包含化合物及群集，包含上文中所描述的那些。施体的实例包含硫及铜，举例来说，所谓的sa(968mev)及sb(812mev)中心。
如本文中所描述，如施体原子204的深杂质可在对应于商购光学发射器、激光器、检测器、镜等等的波长的方便波长中具有跃迁。在一些实施方案中，所述波长对应于中ir波长。各种实施方案可包含且利用激光器，所述激光器可以在包含于半导体衬底中的杂质的光学跃迁处或附近的波长发射光。举例来说，量子输入子系统156包含光源。各种实施方案可包含且利用具有可变波长或固定波长的激光器。各种实施方案的适合激光器包含以下类型及波长：algainp(0.63至0.9μm)、垂直腔表面发射激光器(vcsel)(gaas-algaas)(0.6到1.3μm)、nd:yag(1.064到1.064μm)、vcsel(0.85到1.5μm)、cr:mg2sio4(1.23到1.27μm)、ingaas(1.1到1.7μm)、拉曼(1到2μm)、ingaasp(1到2.1μm)、algain/assb(约2μm)、经染料拉曼移位(0.9到4.5μm)、hf化学物(2.7到2.9μm)、cr:znse/s(1.9到2.6μm)、xehe(2到4μm)、量子串级激光器(2.63到250μm)、铅盐(3到20μm)、混合硅(3到30μm)、gainassb(3到30μm)、光学参数振荡器(opo)(3到1000μm)及co(双重的)(4.6到5.8μm)。
在一些实施方案中，光学读出存储于深杂质的状态中的信息。半导体衬底中的深杂质在电场内的不同电子状态(包含不同自旋状态)与不同自旋或电荷分布相关联。这些不同分布影响接近光学结构的性质。对接近光学结构的光学测量(例如，本文中至少在图7处所描述)允许深杂质的电子状态的测量。
图14根据本发明系统、装置、方法及物件示意性地图解说明多个能级1400。对照能量的轴1402标绘多个能级1400。沿图14的水平方向标绘一系列激发态。多个能级1400包含所耦合系统(包含深杂质及光学结构)的杰恩斯-卡明思阶梯1404。在杰恩斯-卡明思阶梯1404中，标绘光学结构中的光子的数目。注意，能级在n＝2之后接续。在杰恩斯-卡明思阶梯1404中，光学结构中的一个光子及光学结构中的两个光子的能级相差光学结构的共振频率，ωc。
杰恩斯-卡明思阶梯1404允许1s:a基态与1s:γ7激发态之间的具有经对准能级的共振跃迁。即，如果无有效磁场施加到深杂质，那么存在零超精细交互以分裂基态(例如，原子是核自旋-零同位素)。跃迁大致为相同能量。构成本征态混合生成。举例来说，参见杰恩斯-卡明思阶梯1404中的n＝2的实线及1s:γ7激发态1406的能级。这些针对共振跃迁匹配或基本上匹配。
控制器可经由输入子系统将磁场施加到深杂质。当将磁场施加到深杂质时，杰恩斯-卡明思阶梯1404中的状态分裂成向上及向下自旋状态，例如，向下自旋状态1410。自旋基态及激发态以不同g因数分裂。参见n＝2处针对1s:a及1s:γ7状态的长度尺度，其中一个分裂是另一分裂的二分之一。在硒-77中，基态通过ga≈2.01分裂而激发态1s:γ7通过gγ7≈0.64分裂。在图14中，用由两个点跟随的长破折号表示在磁场下分裂及/或移位的能级。对于1s:γ7激发态1406，磁场的施加使状态的能级移动。基态及激发态中的能级不再匹配或基本上匹配。举例来说，状态1412的能量不匹配状态1414的能量。
控制器经由输入子系统可调谐激发态的能级。所述控制器可使所述能级移位δω，参见移位1416。所述控制器可通过将电场及/或应变施加到半导体衬底或使所述电场及/或应变变化而使能级移位为激发态(例如，1s:γ7状态)。本文中至少关于图1、2及8描述用以将电场或应变施加到半导体衬底的一或多个部分的装置。在图14中，用由一个点跟随的长破折号表示在电场或应变下移位的能级。在此处，在δω的移位之后，能级对准。举例来说，参见能级1418。在图14中，虽然在共振中展示向下状态(参见能级1418集合)，但可使向上状态在共振中。所述控制器可使能级移位为激发态以计及深杂质的跃迁频率与光学结构的共振频率之间的不匹配。
所得强耦合条件与能级1408自旋相依。自旋相依腔耦合允许控制器经由输出系统进行接近或高于4.2k的单次单自旋读出。自旋相依光学结构耦合允许在不具有杂质的光学激发的情况下读出。举例来说，在一些实施方案中，如果深杂质的电子自旋在非耦合基态中(例如，向上)，那么光学结构将传输匹配光学结构的共振频率(在此处为ωc)的任何光-共振光。相反地，如果电子自旋在耦合基态中(例如，向下)，纳米腔将以频率ωc反射共振光，因为在此系统配置中，所述频率不再是共振的。跃迁1420及1422图解说明过程的部分。跃迁1420是耦合的。跃迁1422是非耦合的。
在一些实施方案中，当深杂质的电子自旋在非耦合基态中时，光学结构将反射共振光。相反地，当电子自旋在耦合基态中时传输共振光。大量光子可用于推断光学结构的响应而不激发深杂质系统或经耦合光学结构-深杂质系统中的非共振跃迁。
图15是图解说明包含多个深杂质1504及波导1506的量子信息处理装置1500的示范性部分的区段的示意图。量子信息装置1500包含半导体衬底1502。所述多个深杂质1504-1、1504-2、1504-3、1504-4及1504-4(统称为1504)安置在半导体衬底1502内。波导1506(光学结构的实例)支持能够支持多个传播模态频率的传播模态。多个深杂质1504经由传播模态光学耦合到波导1506。在所图解说明实例中，距离1508-1及1508-2是大约波导的模态的波长λ。多个深杂质1504中的每一深杂质可放置在波导1506中的传播模态的腹点处或附近。波导1506是沿着由其物理结构界定的路径约束或引导电磁波的装置。波导1516可界定在衬底1502内或上。光可传播穿过波导1516且耦合到多个深杂质1504-1、1504-2、1504-3、1504-4及1504-4。
以下实例中总结进一步实施方案。
实例1：一种量子信息处理装置，其包括：半导体衬底；一或多个深杂质，其安置在所述半导体衬底内，其中所述深杂质中的每一者由对应于所述深杂质的不同电子或核自旋状态且表示量子位信息的多个量子状态表征；一或多个光学结构，其与所述半导体衬底集成在一起或耦合到所述半导体衬底，每一光学结构具有表示光学结构信息的特性模态频率及光学状态；及第一深杂质，其光学耦合到第一光学结构，所述第一深杂质具有第一对所述多个量子状态之间的第一跃迁频率，所述第一跃迁频率匹配所述第一光学结构的第一特性模态频率，其中所述第一光学结构光学耦合所述量子位信息与所述光学结构信息。
实例2：根据实例1所述的装置，其中所述光学结构的所述特性模态频率是共振模态频率。
实例3：根据实例1所述的装置，其中所述第一光学结构的所述特性模态频率是传播模态频率。
实例4：根据实例1到2中任一实例所述的装置，其中所述第一光学结构是具有第一光子模态的第一光学共振器，所述第一光子模态具有作为第一共振器频率的所述特性模态频率。
实例5：根据实例1到4中任一实例所述的装置，其中所述第一对所述多个量子状态包含第一量子状态及第二量子状态，且所述第一跃迁频率对应于所述多个量子状态中的第一量子状态与第二量子状态之间的光学跃迁。
实例6：根据实例1到5中任一实例所述的装置，其中所述深杂质是非气态硫族元素原子。
实例7：根据实例1到6中任一实例所述的装置，其中所述装置进一步包括：第二光学结构，其具有具第二特性模态频率的第二模态；及第二深杂质，其耦合到所述第二光学结构，所述第二深杂质具有第二对能级之间的第二跃迁频率，且所述第二跃迁频率匹配所述第二特性模态频率。
实例8：根据实例7所述的装置，其中所述第二光学结构在距所述第一光学共振器的一距离处，所述距离小于特性衰减长度λ/n的大约二十倍，其中λ是第一光子模态波长且n是所述半导体衬底的折射率。
实例9：根据实例7及8中任一实例所述的装置，其中：所述第二光学结构的至少一部分插置在所述第一深杂质与所述第二深杂质之间，或所述第一深杂质及所述第二深杂质安置在所述第二光学结构内。
实例10：根据实例1到9中任一实例所述的装置，其进一步包括骑跨所述第一光学结构放置以将电场施加到所述第一光学结构的一对电极。
实例11：根据实例1到10中任一实例所述的装置，其进一步包括光学耦合到所述第一光学结构以光学探测所述第一光学结构的光学状态的波导。
实例12：一种用于量子信息处理器的操作方法，所述量子信息处理器包含与半导体衬底集成在一起的一或多个光学结构，多个深杂质安置在所述半导体衬底中，且其中所述深杂质中的每一者由对应于所述深杂质的不同电子或核自旋状态且表示量子信息的多个量子状态表征，所述方法包括：将所述多个深杂质中的第一深杂质初始化到第一基准状态；将所述多个深杂质中的第二深杂质初始化到所述第一基准状态；致使接近所述第一深杂质及第二第一深杂质的光学结构与所述第一深杂质及所述第二第一深杂质共振；及测量所述光学结构的光学状态作为由所述第一深杂质及所述第二深杂质的所述量子状态表示的所述信息的度量。
实例13：根据实例12所述的方法，其中所述第一深杂质是双施体，且所述方法进一步包括将所述第一深杂质离子化到单离子化状态。
实例14：根据实例12及13中任一实例所述的方法，其中将所述多个深杂质中的所述第一深杂质初始化进一步包括将所述多个深杂质中的所述第一深杂质初始化到以下各项中的至少一者：核自旋状态，其作为所述第一深杂质的第二基准状态；电子自旋状态，其作为所述第一深杂质的第三基准状态；及经组合电子自旋与核自旋状态，其作为所述第一深杂质的第四基准状态。
实例15：根据实例12到14中任一实例所述的方法，其中所述光学结构是具有具第一共振器频率的第一光子模态的第一光学共振器。
实例16：根据实例12到15中任一实例所述的方法，其中所述光学结构是具有载运量子信息的一或多个传播模态及频率的光学波导。
实例17：根据实例12到16中任一实例所述的方法，其中另一光学结构接近所述第二深杂质，所述方法进一步包括：将所述另一光学结构调谐成与所述光学结构、所述第一深杂质及所述第二深杂质共振。
实例18：根据实例12到17中任一实例所述的方法，其中致使接近所述第一深杂质及所述第二深杂质的所述光学结构与所述第一深杂质及所述第二深杂质共振进一步包括：将所述第一深杂质朝向匹配所述光学结构的共振频率的跃迁频率调谐。
实例19：根据实例12到18中任一实例所述的方法，其中致使接近所述第一深杂质及所述第二深杂质的所述光学结构与所述第一深杂质及所述第二深杂质共振进一步包括：将具有空间梯度的磁场施加到所述第一深杂质及所述第二深杂质，其中所述磁场在所述第一深杂质处具有第一值，且在所述第二深杂质处具有第二值。
实例20：根据实例12到19中任一实例所述的方法，其中致使接近所述第一深杂质及所述第二深杂质的所述光学结构与所述第一深杂质及所述第二深杂质共振进一步包括：将力施加到所述半导体衬底以修改接近所述光学结构的所述半导体衬底中的应变。
实例21：根据实例12到20中任一实例所述的方法，其中致使接近所述第一深杂质及所述第二深杂质的所述光学结构与所述第一深杂质及所述第二深杂质共振进一步包括：将多个载子注入到接近所述光学结构的所述半导体衬底中以电子耦合所述第一深杂质与所述第二深杂质。
实例22：根据实例12到21中任一实例所述的方法，其进一步包括：将脉冲式磁场施加到所述第一深杂质以改变所述第一深杂质的状态。
实例23：根据实例12到22中任一实例所述的方法，其中测量所述光学结构的所述状态进一步包括：测量所述光学结构中存在还是不存在光子。
实例24：根据实例12到22中任一实例所述的方法，其中测量所述光学结构的所述状态进一步包括：测量所述光学结构的共振频率中的频率移位。
实例25：一种用于包含植入于半导体衬底中的施体原子的量子信息处理器的操作方法，所述方法包括：将所述施体原子初始化为基准状态；施加脉冲式电磁场以改变所述第一施体原子的状态；致使接近所述施体原子的光学结构与所述施体原子光学共振；及测量所述光学结构的状态。
实例26：根据实例25所述的方法，其中所述施体原子是双施体，所述方法进一步包括：将所述施体原子离子化以形成单离子化施体原子。
实例27：根据实例25或26所述的方法，其进一步包括：将正电压施加到上覆于所述半导体衬底及所述施体原子上的电极以改变所述施体原子的状态。
实例28：根据实例25到27所述的方法，其中所述第一施体原子具有跃迁频率，且致使接近所述施体原子的所述光学结构与所述第一施体原子光学共振进一步包括：将所述第一施体原子的所述跃迁频率朝向匹配所述光学结构的共振频率的频率调谐。
实例29：根据实例25到28中任一实例所述的方法，其中致使接近所述施体原子的所述光学结构与所述第一施体原子光学共振进一步包括：将力施加到所述半导体衬底以修改所述光学结构的共振几何形状或所述第一施体原子的跃迁频率。
实例30：根据实例25到29中任一实例所述的方法，其中致使接近所述施体原子的所述光学结构与所述第一施体原子光学共振包含：将多个载子注入到接近所述光学结构的所述半导体衬底中以修改所述光学结构中的共振频率。
实例31：根据实例25到30中任一实例所述的方法，其中测量所述光学结构的所述状态进一步包括：测量所述光学结构中存在还是不存在光子，或测量所述光学结构的共振频率中的频率移位。
实例32：一种用于包含安置在半导体衬底中的深杂质的量子信息处理器的操作方法，其中所述深杂质具有表示信息的两个或多于两个不同量子状态。所述方法包括：在光学耦合到所述深杂质的光学结构处接收具有第一量子状态的第一光子；及取决于所述光学结构处的所述第一量子状态，形成所述深杂质中的第二量子状态。
实例33：根据实例32所述的方法，其进一步包括：取决于所述深杂质中的所述第二量子状态，在所述光学结构处形成具有第三量子状态的第二光子；及致使发射具有所述第三量子状态的所述第二光子。
实例34：根据实例33所述的方法，其中致使发射具有所述第三量子状态的所述第二光子进一步包括：光学或电触发所述第二光子的发射。
实例35：根据实例32所述的方法，其中所述量子信息处理器是光子存储器。
实例36：一种用于包含安置在半导体衬底中的深杂质的量子信息处理器的操作方法，其中所述深杂质具有表示信息的两个或多于两个不同量子状态，所述方法包括：形成所述半导体衬底中的所述深杂质的第一量子状态；将所述深杂质光学耦合到光学结构；及取决于所述深杂质中的所述第一量子状态，在所述光学结构处形成具有第二量子状态的光子。
实例37：根据实例36所述的方法，其进一步包括：将所述光学结构光学耦合到波导；及在所述光学结构处致使将具有所述第二量子状态的所述光子发射到所述波导中。
实例38：根据实例37所述的方法，其中致使将具有所述第二量子状态的所述光子发射到所述波导中进一步包括：光学或电触发所述第二光子的发射。
实例39：根据实例37或38中任一实例所述的方法，其中所述量子信息处理器是单光子源。
实例40：一种量子信息处理系统，其包括：基于处理器的装置，其包含至少一个处理器；量子信息处理器，其中所述量子信息处理器包含半导体衬底，多个非气态硫族元素施体原子安置在所述半导体衬底内，其中所述多个非气态硫族元素施体原子中的第一相应施体原子具有具第一跃迁频率的第一跃迁，且多个光学共振器物理耦合所述半导体衬底，其中所述多个光学共振器中的第一相应光学共振器选择性地耦合到所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应施体原子；及多个通信线，其提供所述基于处理器的装置与所述量子信息处理器之间的通信。
实例41：根据实例40所述的系统，其中：所述多个非气态硫族元素施体原子包含第二相应施体原子；所述多个光学共振器中的所述第一相应光学共振器具有第一共振器频率；所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第二相应施体原子选择性地耦合到所述第一相应光学共振器且具有具第二跃迁频率的第二跃迁；且所述第一共振器频率匹配所述第一跃迁频率及所述第二跃迁频率。
实例42：根据实例40或41所述的系统，其中：所述多个光学共振器进一步包含具有第二共振器频率的第二相应光学共振器；所述第二相应光学共振器选择性地耦合到所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第二相应施体原子；所述第二跃迁频率匹配所述第二共振器频率；且所述第一共振器频率匹配所述第二共振器频率。
实例43：根据实例40到42中任一实例所述的系统，其中所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应施体原子安置在所述半导体衬底中大于十纳米的深度处。
实例44：根据实例40到43中任一实例所述的系统，其中所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应施体原子是具有基本上大于在室温下的热能kbt的离子化能量的深能级施体。
实例45：根据实例40到44中任一实例所述的系统，其进一步包括控制所述量子信息处理器在其中操作的环境的参数的环境子系统，所述参数包含湿度、空气压力、振动、磁场、温度及电磁场中的一或多者。
实例46：根据实例40到45中任一实例所述的系统，进一步包括：至少一个传统通信通道，其与所述至少一个处理器通信；及网络接口子系统，其在操作时支持通过所述至少一个传统通信通道的处理器可读数据的双向通信。
实例47：根据实例40到46中任一实例所述的系统，其进一步包括：波导，其光学耦合到安置在所述半导体衬底内的所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应非气态硫族元素施体原子。
实例48：根据实例40到47中任一实例所述的系统，其中所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应非气态硫族元素施体原子具有经识别为电子自旋状态、核自旋状态及经组合电子与核自旋状态的多个能级或状态，且其中选定对所述多个能级或状态经指定为所述第一相应非气态硫族元素施体原子的一对计算状态。
实例49：根据实例40到48中任一实例所述的系统，其中：所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应非气态硫族元素施体原子包含一对计算状态；且所述对计算状态选自由以下各项组成的群组：所述第一相应非气态硫族元素施体原子的核自旋状态的第一值与所述第一相应非气态硫族元素施体原子的所述核自旋状态的第二值；所述第一相应非气态硫族元素施体原子的电子自旋状态的第一值与所述第一相应非气态硫族元素施体原子的所述电子自旋的第二值；以及所述第一相应非气态硫族元素施体原子的核自旋与电子自旋的第一值，及所述第一相应非气态硫族元素施体原子的所述核自旋与所述电子自旋的多个值，其中所述核自旋与所述电子自旋的所述第一值是单重态，且所述相应非气态硫族元素施体原子的所述核自旋与所述电子自旋的所述多个值是三重态。
实例50：根据实例40到49中任一实例所述的系统，其进一步包括与所述至少一个处理器及量子信息处理器通信的量子输入子系统。
实例51：根据实例50所述的系统，其中所述量子输入子系统包含接近安置在所述半导体衬底内的所述第一相应非气态硫族元素施体原子的一对电极；且其中所述至少一个处理器致使所述量子输入子系统经由所述多个通信线及所述对电极将电场施加到安置在所述半导体衬底内的所述第一相应非气态硫族元素施体原子。
实例52：根据实例50到51中任一实例所述的系统，其中所述量子输入子系统包含：一对电极，其接近量子信息处理器的一或多个部分安置；且其中所述至少一个处理器致使所述量子输入子系统经由所述多个通信线及所述对电极改变去往量子信息处理器的一或多个部分的电载子的数目。
实例53：根据实例50到52中任一实例所述的系统，其中量子信息处理器的所述一或多个部分包含所述多个光学共振器中的所述第一相应光学共振器。
实例54：根据实例50到53中任一实例所述的系统，其中量子信息处理器的所述一或多个部分包含安置在所述半导体衬底内的所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应非气态硫族元素施体原子。
实例55：根据实例50到54中任一实例所述的系统，其中所述量子输入子系统包含接近所述量子信息处理器的电磁体；且其中所述至少一个处理器经由所述多个通信线致使所述量子输入子系统经由所述多个通信线及所述电磁体将磁场施加到量子信息处理器的一或多个部分。
实例56：根据实例40到55中任一实例所述的系统，其中：量子信息处理器的所述一或多个部分包含安置在所述半导体衬底内的所述多个非气态硫族元素施体原子；且所述磁场包含在所述多个非气态硫族元素施体原子的空间广度内的空间梯度。
实例57：根据实例56所述的系统，其中所述磁场改变所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应施体原子的所述第一跃迁及所述第一跃迁频率。
实例58：根据实例40到57中任一实例所述的系统，其中：所述多个非气态硫族元素施体原子包含多个核自旋；所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应非气态硫族元素施体原子包含所述多个核自旋中的第一相应核自旋；所述第一相应核自旋包含第一核共振频率；且所述磁场是沿横向方向施加，以使所述多个核自旋中的所述第一相应核自旋在对应于所述核共振频率的速率下具有正弦时间振荡。
实例59：根据实例40到58中任一实例所述的系统，进一步包括：嵌入于所述半导体衬底中的可变长度装置，其中所述至少一个处理器经由所述量子输入子系统及所述多个通信线致使所述可变长度装置改变长度以影响所述半导体衬底的接近区上的应变。
实例60：根据实例40到59中任一实例所述的系统，其中半导体衬底的所述接近区域包含以下各项中的至少一者：安置在所述半导体衬底内的所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应非气态硫族元素施体原子；及选择性地耦合到所述多个非气态硫族元素施体原子中的所述第一相应施体原子的所述多个光学共振器中的所述第一相应光学共振器。
实例61：根据实例40到60中任一实例所述的系统，其中所述可变长度装置是压电材料装置或微机电系统。
实例62：根据实例40到61中任一实例所述的系统，其中所述至少一个处理器致使所述量子输入子系统将一或多个磁共振控制操作应用于安置在所述半导体衬底内的所述多个非气态硫族元素施体原子中的一或多个非气态硫族元素施体原子。
实例63：根据实例40到62中任一实例所述的系统，其中所述一或多个磁共振控制操作包含以下各项中的一或多者：电子自旋共振操作；核磁共振操作；单量子位操作；及多量子位操作。
实例64：根据实例40到63中任一实例所述的系统，其进一步包括与所述至少一个处理器通信的量子输出子系统。
实例65：根据实例40到64中任一实例所述的系统，其中所述至少一个处理器致使所述量子输出子系统测量安置在所述半导体衬底内的所述多个非气态硫族元素施体原子中的一或多个非气态硫族元素施体原子的状态。
实例66：根据实例40到65中任一实例所述的系统，其中所述量子输出子系统包含光学测量装置，且所述至少一个处理器致使所述光学测量装置测量物理耦合所述半导体衬底的所述多个光学共振器中的所述第一相应光学共振器的状态。
实例67：根据实例40到66中任一实例所述的系统，其中所述光学测量装置测量物理耦合所述半导体衬底的所述多个光学共振器中的所述第一相应光学共振器的所述第一共振器频率的频率移位。
实例68：根据实例40到67中任一实例所述的系统，其中所述光学测量装置测量在物理耦合所述半导体衬底的所述多个光学共振器中的所述第一相应光学共振器中的存在还是不存在光子。
实例69：一种信息处理装置，其包括：半导体衬底；第一深杂质，其安置在所述半导体衬底内，其中所述第一深杂质具有第一基础状态、第二基础状态及介于所述第一基础状态与所述第二基础状态之间的光学跃迁；及第一光学结构，其物理耦合光学耦合到所述第一深杂质的所述半导体衬底。
实例70：根据实例69所述的装置，其中所述深杂质具有基本上大于在室温下的热能kbt的离子化能量。
实例71：根据实例69或70所述的装置，其中所述深杂质是稳定非气态硫族元素原子。
实例72：根据实例71中任一实例所述的装置，其中所述稳定非气态硫族元素原子是硫原子、硒原子或碲原子。
实例73：根据实例69到72中任一实例所述的装置，其中所述深能级施体是金属原子或金属群集。
实例74：根据实例73中任一实例所述的装置，其中所述金属原子是跃迁金属元素。
实例75：根据实例73中任一实例所述的装置，其中所述金属原子是锂原子、铍原子或镁原子。
实例76：根据实例73中任一实例所述的装置，其中所述金属群集本质上由四个原子或五个原子构成。
实例77：根据实例73或76中任一实例所述的装置，其中所述金属群集包含选自由以下各项组成的群组的一或多个原子：铜、银、金及铂。
实例78：根据实例69到73、76或77中任一实例所述的装置，其中所述深杂质包含铜及硫。
实例79：根据实例69到73、76、77或78中任一实例所述的装置，其中所述深杂质是sa中心或sb中心。
实例80：根据实例69到79中任一实例所述的装置，其中所述半导体衬底由包含多于95％非顺磁硅同位素的硅制成。
实例81：根据实例69到80中任一实例所述的装置，其中所述半导体衬底包含碳化硅或硅锗。
实例82：根据实例69到81中任一实例所述的装置，其中所述第一基础状态或所述第二基础状态是电子自旋状态、核自旋状态及经组合电子与核自旋状态。
实例83：根据实例69到82中任一实例所述的装置，其进一步包括与所述半导体衬底一起安置的受体。
实例84：根据实例83中任一实例所述的装置，其中所述受体是硼、铝、镓或铟。
除非本文中另有规定或除非上下文另有清楚地指示，否则术语大约修改数值数量意味加或减百分的十(10)。除非另有规定或除非上下文另有指示，否则在两个数值之间将被解读为在所述两个数值之间且包含所述两个数值。
在上文描述中，包含一些特定细节以提供对各种所揭示实施方案的理解。然而，所属领域的技术人员将认识到，可在不具有这些特定细节、方法的部分、组件、材料等中的一或多者的情况下实践实施方案。在一些例子中，未详细展示或描述与半导体及/或光学装置及/或量子计算及/或量子信息处理相关联的众所周知的结构(例如目标、衬底、透镜、波导、屏蔽物、滤波器、激光器、处理器可执行指令(例如，bios、驱动程序))以避免不必要地模糊对所揭示实施方案的描述。
在此说明书及所附权利要求书中，在结合所述实施例、实例或实施方案描述的一特定参考特征、结构或特性包含于至少一个实施例、实例或实施方案中的意义上使用应用于“实施例”、“实例”或“实施方案”的“”一(a及an)”、“一个”或“另一”。因此，如“在一个实施例中”、“在一实施例中”或“另一实施例”的短语未必全部是指同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任一适合方式组合于一或多个实施例、实例或实施方案中。
除非上下文另有要求，否则如此说明书及所附权利要求书中所使用，例如“一(a及an)”及“所述(the)”的单数形式的物件包含多个指示物。也应注意，除非上下文另有要求，否则术语“或”一般在包含“及/或”的其意义上被采用。
除非上下文另有需要，否则贯穿此说明书及所附权利要求书，措辞“包括(comprise)”及其变化形式(例如“包括(comprises及comprising)”)应在一开放、包含性意义上被解释，即，被解释为“包含但不限于”。
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虽然本文中已描述所描述实施例及实施方案的特定特征，但所属领域的技术人员现在将想到许多修改、替代、改变及等效形式。因此，应理解，所附权利要求书打算涵盖如归属于所描述实施例及实施方案的范围内的所有此类修改及改变。