Квантовый компьютер на ядерных спинах в кремнии

Конструкция кубита.

Все перечисленные выше требования были учтены В. Капе [18] в его конструкции квантового компьютера на основе кремния. Реализация такого прибора, безусловно, возможна только при использовании всех достижений нанометровой кремниевой планарной технологии интегральных схем.

Важным требованием при создании такого квантового компьютера является изоляция кубитов от любых степеней свободы, которые могут вести к декогерентности. Если кубитами являются спины на доноре в полупроводнике, то ядерные спины в матрице представляют собой большой резервуар, с которым донорные спины могут взаимодействовать. Следовательно, матрица должна содержать ядра со спином / = 0. Это требование исключает все полупроводники А3В5 из числа кандидатов на матрицу, так как ни один из составляющих их элементов не имеет стабильных изотопов с нулевым спином. Для кремния такой изотоп существует: ^2XSi. Кроме того, технология получения кремния наиболее развита, и имеется большой опыт в создании нанообъектов, так что он лучше всех полупроводников подходит на роль полупроводниковой матрицы.

Единственным мелким донором в Si со спином /= ½ является ³¹Р. Система Si: ³¹Р была исчерпывающе изучена 40 лет назад в экспериментах по электрон-ядерному двойному резонансу. При достаточно низкой концентрации ³¹Р и при Т — 1.5 К время релаксации электронного спина — порядка тысяч секунд, а время релаксации ядерного спина ³¹Р превышает 10 ч. По-видимому, при температуре несколько милликельвинов время релаксации ³¹Р, ограниченное фононами, будет порядка 10¹⁸ с, что делает эту систему идеальной в этом смысле для квантовых вычислений. Условия, необходимые для вычислений при помощи ядерных спинов, могут возникнуть, только если ядерный спин локализован на положительно заряженном доноре в матрице полупроводника, следовательно, температура должна быть настолько низкой, чтобы исключить ионизацию донора. В этом случае волновая функция электрона концентрируется у ядра донора (для s- орбиталей и энергетических зон, образованных из них), приводя к большой энергии сверхтонкого взаимодействия между спинами ядра и электрона. Согласно расчетам [18] необходимая температура для работы должна быть менее 0.1 К.

Рис. 11.3. Два кубита в одномерном региаре, содержащие два ^3|Р донора со связанными электронами, внедренными в ²⁸Si.

Пластина кремния при этой температуре помещается в постоянное магнитное поле В₀>2Т. Два кубита в одномерном регистре содержит два ³¹Р донора со связанными электронами, внедренными в ^2sSi (рис. 11.3). Они отделены от управляющих металлических затворов на поверхности слоем Si02; А-электроды управляют (задают) резонансной частотой ядерно-спинового кубита; J-затворы управляют взаимодействием электронов соседних ядерных спинов. В этих условиях электроны полностью спин-поляризованы (nt/ni< 10 ⁶), а ядерные спины будут упорядочиваться по мере взаимодействия с электронами.