Квантовые компьютеры: надежды и реальность - Валиев К.А.
Скачать (прямая ссылка):
250
Глава 5
измерений зарядового состояния донорного атома должно быть значительно меньше времени электронной спин-решеточной релаксации, которая при низких температурах достигает порядка 103 с.
Одноэлектронные транзисторы [5.20, 5.21], по-видимому, являются наиболее подходящими устройствами для выполнения таких измерений. Электрометр на основе одноэлектронного транзистора способен определить, находятся ли два электрона в синглетном или триплетном состоянии. Для этого центральная квантовая точка — «островок» одноэлектронного транзистор располагается непосредственно над предназначенным для измерения донорным атомом и отделен от кремния потенциальным барьером (рис. 5.4). В качестве портов, на которые выводится информация о состоянии кубита, где и происходит измерение, могут быть другие, в частности, донорные атомы 125Те с ядерным спином I — 1/2 с глубокими примесными уровнями и двумя внешними электронами [5.22]. Донорные атомы 31Р при этом будут использоваться только для выполнения логических квантовых операций, не требующих промежуточных операций.
Q TTU<^ ЯС11/ТПЛии1.ТТ1 тпоиоистлп
Рис. 5.4. Возможная схема высокочувствительного электрометра на основе одноэлектронного транзистора и его энергетическая диаграмма. В отсутствии разности потенциалов между островком и подложкой V = 0 оба электрона локализованы в окрестности донора. Значение V, при котором происходит переход одного из электронов к поверхности зависит от того, в синглетном или триплетном состоянии находились электроны.
Разность потенциалов между островком и кремниевой подложкой V выбирается достаточной для того, чтобы один из локализованных на доноре электронов смог переместиться к поверхности барьера на границе с кремнием. Это движение заряда будет изменять потенциал на островке и вместе с этим проводимость одноэлектронного
5.1. Полупроводниковый ЯМР квантовый компьютер (модель Кейна) 251
транзистора. Поскольку энергия связи синглетного и триплетного спиновых состояний донора различны, детектирование движения заряда на примеси позволит определить спиновое состояние электронов. В качестве электрометра может быть также использован радиочастотный одноэлектронный транзистор [5.23], обычный наноэлектронный МОП-транзистор [5.16]. Об экспериментальных попытка таких измерений пока не сообщалось.
Детальное теоретическое исследование электрических методов измерения состояния электронных и ядерных спинов в полупроводниковых структурах с помощью одноэлектронного транзистора, с учетом шумов было проведено в [5.22].
Остановимся также на других возможных способах измерения состояния отдельных электронных спинов. Одним из них является использование «спинового фильтра» [5.24], содержащего расположенную над донором квантовую точку с отдельным электроном, спиновое состояние которого зависит от электронного спинового состояния донора. Квантовая точка отделена от электродов потенциальными барьерами из ферромагнитного полупроводника (материалом могут быть EuSe, EuS). Намагниченность барьера создает в нем обменное расщепление зоны проводимости (для EuS в отсутствие внешнего поля она равна 0,36эВ). Таким образом, высота барьера различна для электрона в квантовой точке с различной ориентацией спина. Под действием напряжения происходит туннелирование электрона с одной определенной ориентацией, что регистрируется путем измерения тока.
Еще одним способом, предложенным С. Молотковым и С.Назиным [5.25], является использование для измерения состояния отдельного электронного спина одноэлектронного «турникета», представляющего собой структуру из трех туннельно связанных квантовых точек, с центральной точкой, располагающейся над донорным атомом. Каждая точка имеет один квантовый уровень. Правая и левая точки туннельно связаны с электродами из магнитного материала. Электронные спины в электродах поляризованы. В начальный момент электроны отсутствуют во всех точках, затем к центральной и левой точке прикладывается импульс напряжения такой длительности, что уровни левой и центральной точки оказываются в резонансе и снижаются ниже уровня химического потенциала //l левого электрода (заполняются состояния обоих точек). Затем импульс напряжения той же длительности прикладывается к левой точке. Он подымает ее квантовый уровень
252
Глава 5
выше уровня //l, в результате электрон из этой ямы возвращается в левый электрод, а в центральной точке уровень оказывается заполненным электроном, с значением спина, определенным состоянием левого электрода. Электрон, оставшийся в центральной точке, взаимодействует с электроном донорного атома и переходит в состояние, зависящее от спинового состояния электрона донорного атома. Детектирование электронного состояния в центральной точке производится путем измерения туннельного тока через правый электрод при приложении импульса напряжения к центральной и правой квантовой точкам. Вероятность появления импульса тока в правом электроде будет зависеть от спинового состояния электрона в центральной точке в данный момент времени, поэтому предложенный способ измерения, в отличие от других, позволяет следить за динамикой спиновых состояний. Наконец, прикладывается заключительный импульс напряжения к левой и центральной точкам, такой, чтобы электрон перешел из центральной точки обратно в левый электрод с единичной вероятностью. После этого система снова готова к измерению.
