【摘 要】
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基于半导体量子点中电子自旋态编码的自旋量子比特因其相干时间长,且制备工艺与现代微电子产业完全兼容而备受关注。当前,自旋量子比特的单比特和两比特逻辑门的操控保真度均达到了容错量子计算的阈值,但自旋量子比特的大规模扩展仍然面临着巨大的挑战。随着自旋比特数目的增加,用于编码自旋比特的量子点阵列的结构设计、工艺制备以及电学调控测量均变得更加复杂。硅/硅锗异质结的电子迁移率高且可以实现零核自旋同位素的纯化,
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基于半导体量子点中电子自旋态编码的自旋量子比特因其相干时间长,且制备工艺与现代微电子产业完全兼容而备受关注。当前,自旋量子比特的单比特和两比特逻辑门的操控保真度均达到了容错量子计算的阈值,但自旋量子比特的大规模扩展仍然面临着巨大的挑战。随着自旋比特数目的增加,用于编码自旋比特的量子点阵列的结构设计、工艺制备以及电学调控测量均变得更加复杂。硅/硅锗异质结的电子迁移率高且可以实现零核自旋同位素的纯化,减小核自旋噪声影响。因此,研究硅/硅锗异质结量子点阵列的工艺扩展以及电学调控对实现大规模自旋比特扩展具有重要意义。本文中,我们主要对这一方向进行探索研究,主要内容包括:1.简要介绍了量子计算的相关背景、硅锗量子点阵列的研究意义、电控半导体量子点的基本原理以及自旋量子比特的编码方式和基本操控方法。2.设计了重叠栅结构的硅锗量子点阵列,并可实现量子点在一维方向扩展。此外,设计了桥形结构的微磁体,微磁体提供的磁场梯度能够保证量子点阵列中的任一自旋比特实现快速的拉比振荡,且对不同自旋比特实现寻址操控。3.研究了硅锗量子点阵列的工艺制备方法,并成功制备出结构紧凑、性能稳定的一维四量子点阵列。4.研究了硅锗量子点阵列的基本性质,并介绍了相关的基本表征方法。我们成功测得量子点器件的电荷稳定相图,实现了电子隧穿的实时观测,并表征了量子点阵列的耦合调节能力。5.开发了一套逐个添加量子点的调控方法并应用于硅锗一维四量子点阵列中。该方法实现了对量子点电化学势以及势垒的独立调控,可将一维四量子点阵列中的所有量子点均配置在单电子占据状态,从而编码自旋比特。本论文的创新点在于:1.重叠栅结构的量子点器件利用多层相互重叠且具有不同功能的栅极定义量子点,能够有效地控制量子点尺寸,并且可以通过延长器件沟道实现量子点阵列的一维扩展,为大规模硅锗量子点阵列的工艺扩展提供了新思路。2.逐个添加量子点并建立虚拟电极的调控方法解决了量子点阵列中栅极间电容耦合串扰问题,实现了对量子点参数的独立调控,提高了大规模量子点器件电压参数配置的准确性和效率。
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