EP4031491A1 - Electronic structural component for logically connecting qubits - Google Patents

Electronic structural component for logically connecting qubits

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EP4031491A1
EP4031491A1 EP20793561.0A EP20793561A EP4031491A1 EP 4031491 A1 EP4031491 A1 EP 4031491A1 EP 20793561 A EP20793561 A EP 20793561A EP 4031491 A1 EP4031491 A1 EP 4031491A1
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EP
European Patent Office
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quantum
potential well
gate electrode
quantum dot
qubits
Prior art date
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Pending
Application number
EP20793561.0A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias KÜNNE
Hendrik BLUHM
Lars SCHREIBER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH
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Filing date
Publication date
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    • H01L29/762—Charge transfer devices

Definitions

  • the invention relates to an electronic structural component for logical interconnections of qubits of a quantum computer, which is formed by a semiconductor component or a semiconductor-like structure, comprising a) a substrate with a two-dimensional electron gas or electron hole gas; b) gate electrode arrangements with gate electrodes which are arranged on a surface of the electronic structural component; c) electrical contacts for connecting the gate electrode assemblies to voltage sources; d) gate electrodes of the gate electrode arrangements have parallel electrode fingers.
  • These semiconductor components often consist of doped silicon elements in order to realize the circuits.
  • transistor circuits can be arranged in such semiconductor components and linked to form a logic circuit.
  • these semiconductor components can now be produced with ever more extreme compactness.
  • This compactness has reached its physical limits.
  • Both the density of the circuits and the temperature often lead to problems in such semiconductor components.
  • optimizations can be achieved through several layer models, higher switching clocks or the choice of semiconductor material.
  • the computing power is often insufficient for many applications, e.g. in cryptographic technology or when calculating weather or climate models due to the enormous amount of data.
  • a quantum mechanical system with two states as the smallest unit for storing information is referred to as a “qubit”.
  • a qubit is defined, for example, by the quantum mechanical state spin “up” and spin “down”.
  • a semiconductor heterostructure serves as the substrate.
  • the semiconductor heterostructure contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Semiconductor heterostructures are monocrystalline layers of Semiconductors with different compositions. These layer structures provide numerous technically relevant quantization effects with regard to their electronic and optical properties. They are therefore particularly suitable for the production of microelectronic components.
  • Currently the most important combination of materials for the production of semiconductor heterostructures is the GaAs / AIGaAs system.
  • Semiconductor heterostructures form so-called quantum films at the interfaces between different materials. These arise in particular because of the different energy ratios in the two materials.
  • the predetermined energy distribution has the consequence that charge carriers from the environment collect in the quantum film. There they are largely restricted in their freedom of movement to the layer and form the two-dimensional electron gas (2DEG).
  • a nanoscopic material structure is called a quantum dot.
  • Semiconductor materials are particularly suitable for this.
  • Charge carriers, both electrons and holes, are so limited in their mobility in a quantum dot that their energy can no longer assume continuous, but only discrete values.
  • 2DEG two-dimensional electron gas
  • a quantum dot device which comprises at least three conductive layers and at least two insulating layers.
  • the three conductive layers are electrically isolated from one another. It is described there that a conductive layer consists of a different material than the other two conductive layers.
  • the conductive layers can for example consist entirely and / or partially of aluminum, gold, copper or polysilicon.
  • the insulating layers consist, for example, of silicon oxide, silicon nitride and / or aluminum oxide. The connections between the conductive layers and the insulating layers have the effect, among other things, that individual electrons are channeled through quantum dots of the device using voltage pulses.
  • quantum dot device an electron is quasi trapped in a potential well. Through quantum mechanical tunneling, an electron is moved from quantum dot to quantum dot. This can lead to inaccuracies or falsifications of the information content about the quantum mechanical state when an electron moves over longer distances.
  • WO 2017/020095 A1 discloses a scalable architecture for a scalable architecture for a processing device for performing quantum processing.
  • the architecture is based on an all-silicon CMOS manufacturing technology.
  • Transistor based control circuits are used in conjunction with floating gates to operate a two-dimensional array of qubits.
  • the qubits are defined by the spin states of a single electron that is enclosed in a quantum dot.
  • a superordinate level is described here, ie how individual Qubits can be controlled electrically, for example via transistors etc., including qubit operation and readout. It is true that a “scalable architecture” is spoken of, but the array shown does not allow any real scaling, ie, among other things, integration of cryogenic electronics, since no space can be created between the qubits.
  • US Pat. No. 8,164,082 B2 describes a spin bus quantum computer architecture which comprises a spin bus which consists of several strongly coupled qubits which are always based on qubits and which define a chain of spin qubits. A large number of information-carrying qubits are arranged next to a qubit of the spin bus. Electrodes are formed around the information-carrying qubits and the spinbus qubits to enable control of the establishment and disruption of the coupling between qubits to enable control of the establishment and disruption of the coupling between each information-bearing qubit and the adjacent spinbus qubit.
  • the spin-bus architecture enables qubits to be coupled quickly and reliably over long distances.
  • EP 3 016 035 B1 describes a processing device and method for operating it, in particular, but not exclusively, the invention relates to a quantum processing device which can be controlled in order to carry out adiabatic quantum calculations.
  • a quantum processor has the following features: a plurality of qubit elements and a control structure which has a plurality of control components, each control component being arranged to control a plurality of qubit elements.
  • the control structure is controllable to perform a quantum calculation using the qubit elements, a quantum state of the qubit elements being encoded in the nuclear or electron spin of one or more donor atoms.
  • the donor atoms are arranged in a plane that is embedded in a semiconductor structure.
  • a first set of donor atoms is arranged to encode quantum information related to quantum computation.
  • a second set of donor atoms is arranged to enable electromagnetic coupling between one or more of the first set of donor atoms.
  • the donor atoms of the first set are arranged in a two-dimensional matrix arrangement.
  • the plurality of control members include a first set of elongate control members disposed in a first plane above the plane containing the donor atoms.
  • a second set of elongate control members are provided which are located in a second level below the level containing the donor atoms.
  • logical 0 and 1 states are implemented in multi-qubit structures through physical connection and implementation of suitable interactions between physical qubits. These structures are called logical qubits and are less prone to errors in terms of information storage or less prone to external influences.
  • ancillary qubits are also used, which are referred to below as parity qubits.
  • a qubit whose correct state is determined using a parity qubit is referred to below as a data qubit.
  • 'surface codes' for the implementation of algorithms on a quantum computer are known, which are defined sequences of interactions on a two-dimensional grid of data and parity qubits.
  • the interaction between data and parity qubits must also be precisely controlled and selectively switched on and off. This procedure is called 'lattice surgery' and corresponds to the incorporation of defects in a crystal lattice.
  • the qubits In order to implement a universal quantum computer with the possibility of implementing logic circuits, the qubits must be coupled over distances of at least a few micrometers, in particular to create space for local control electronics. Structures and structural elements must be provided that enable a quantum dot to be transported to various destinations in order to be able to set up logic circuits.
  • One or two-dimensional arrays were built from separate quantum dots through which electrons can then be transported. Due to the very large number of gate electrodes required and the voltages to be set with them, a coupling over several micrometers cannot be implemented without considerable effort or even not at all by means of this approach.
  • the object of the invention is therefore to eliminate the disadvantages of the prior art and to create an electronic structural component which allows logic circuits to be implemented with quantum dots.
  • the object is achieved by the electronic structural component for logical interconnections of qubits of a quantum computer of the type mentioned at the beginning, comprising a) the logical interconnections of functional components with gate electrode arrangements for generating static and / or moving potential wells and / or potential barriers for processing quantum dots in have the substrate.
  • the invention is fundamentally based on the principle that a structure is provided for semiconductors which enables logical processing of operations with qubits.
  • This structure requires functional elements that carry out the logical operations.
  • gate electrode arrangements are arranged on the semiconductor in such a way that they form functional elements with which such logical operations can be carried out.
  • An advantageous embodiment of the structural component according to the invention is based on the principle that a quantum mechanical state is set at a quantum dot with a functional element, which state can be translated over a longer distance by the substrate.
  • the quantum dot is preferably quasi trapped in the potential well which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement.
  • the potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance.
  • the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly. With the present functional element, a quantum mechanical state of a quantum dot can thus be moved over a greater distance.
  • a gate electrode arrangement consists of two parallel gate electrodes, which one Form channel-like structure. This measure serves to ensure that the potential well can only move on a certain path in the substrate.
  • the substrate contains gallium arsenide (GaAs) and / or silicon germanium (SiGe). These materials are able to generate a two-dimensional electron gas in which quantum dots can be generated and moved. In the case of gallium aresnide, the quantum dots are occupied with electrons. In the case of silicon germanium, the quantum dots are filled with holes that are missing an electron.
  • GaAs gallium arsenide
  • SiGe silicon germanium
  • a further preferred embodiment of the electronic component can be achieved in that the gate electrodes connected in each case are configured to be able to have voltage applied to them periodically and / or out of phase. This measure enables the potential well to be guided continuously through the substrate. A quantum dot located in the potential well can thus be translated with the potential well through the substrate. In doing so, it does not lose its original quantum mechanical state.
  • a preferred embodiment of the electronic component consists in that at least every third electrode finger of a gate electrode is connected together. This is to ensure that the potential well is always guaranteed over at least one period over which the potential well is moved. This is the only way to enable continuous movement of the potential well with the quantum dot. In principle, other combinations are also possible when interconnecting gate electrodes, as long as the potential well can be moved with the quantum dot.
  • an advantageous embodiment for the method according to the invention for an electronic component results from the fact that in each case at least every third gate electrode is connected together and a voltage is periodically applied.
  • a further advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention consists in the fact that means are provided for connecting two qubits of a quantum computer.
  • a functional element is provided for branching off the movement of a quantum dot.
  • circuits with quantum dots can be implemented that were previously not possible.
  • Such an electronic component can now be used to build logic circuits in quantum computers. This component can be used to network logic circuits.
  • the functional element for branching comprises a first and a second branching gate electrode arrangement with gate electrodes in different directions, the electrode fingers of the gate electrodes being interconnected periodically in alternation, which cause an almost continuous movement of the potential well through the substrate, a quantum dot with the potential well of the first Gate electrode arrangement is translated in one direction, and the quantum dot is movable from the first potential well of the second potential well of the second branching gate electrode arrangement with a changed direction of movement.
  • the functional element is based on the principle that a quantum mechanical state is set at a quantum dot that passes through the substrate over a longer period Distance can be translated.
  • the quantum dot is quasi trapped in the potential well, which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement.
  • the potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance.
  • the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly.
  • the quantum dots are deflected to a potential well of a branching gate electrode arrangement.
  • the quantum dot has to be moved to move into the other or new direction. With the present invention, a quantum mechanical state of a quantum dot can thus be moved and interconnected over a greater distance.
  • a third gate electrode arrangement for generating a switchable potential barrier arrangement is provided in the area of the junction, which is switched on for the transfer of the quantum dot.
  • This potential barrier arrangement prevents the quantum dot from taking a different direction than that given by the junction.
  • the quantum dot with the potential well is directed in one or the other branching direction. In this way, complex circuits with a change of direction can also be implemented.
  • a further advantageous embodiment of the electronic structural component is achieved in that means for synchronizing the gate electrode arrangements for changing the direction of the quantum dot are provided at the junction.
  • the transfer of the quantum dot at a junction requires a very precise coordination of the gate electrodes so that the potential well actually transfers the quantum dot.
  • the measure presented here is therefore used to provide means for controlling the gate electrodes which interconnect the gate electrode arrangements synchronously with one another, so that a coordinated change of direction is made possible.
  • a gate electrode arrangement consists of two parallel gate electrodes which form a channel-like structure. This measure serves to ensure that the potential well can only move on a certain path in the substrate.
  • a further advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention consists in that a functional element for manipulating qubits in quantum dots is provided.
  • a functional element for manipulating qubits in quantum dots is provided.
  • a quantum mechanical state can be set for a quantum dot.
  • the quantum mechanical state that can be defined in this way can then be translated through the substrate over a longer distance.
  • the functional element preferably has a manipulator which puts the qubit of the quantum dot in a definable quantum state in a manipulation zone, the manipulation zone being provided in the adjoining area formed by the first and second gate electrode arrangements.
  • qubits are realized through electron spins.
  • the functional element also makes use of the fact that a quantum mechanical state is set for a quantum dot by the manipulator in the manipulation zone.
  • the quantum mechanical state that can be defined in this way can be translated over a longer distance by the substrate.
  • the quantum dot is quasi trapped in the potential well, which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement.
  • the potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance.
  • the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly.
  • a quantum dot is transported via the movable potential wells to the static potential well in the manipulation zone.
  • the manipulator comprises means for a switchable magnetic field in the Area of the manipulation zone for manipulating the qubit.
  • the magnetic field is used to split the electronic states in relation to the spin. These new eigenstates thus serve as the basis for forming a logical qubit.
  • the manipulator contains means for generating an oscillating magnetic field or a gradient magnetic field in the manipulation zone.
  • An electron is located in an in-plane magnetic field gradient, the magnetic field gradient being used to switch between the eigenstates split up after the spin in a controlled manner.
  • a preferred embodiment of the electronic structural component according to the invention consists in that the manipulator contains a microwave generator which radiates microwaves into the manipulation zone in order to manipulate the quantum dot. This measure is used to ensure that a quantum dot can be moved in the manipulation zone until a desired quantum state has been established.
  • Microwaves for example, are irradiated via a gate electrode. These microwaves distort the potential in a controlled manner, so that an electron begins to oscillate in the magnetic field in a controlled manner.
  • Spin-orbit coupling now makes it possible to switch between the two spin states.
  • a special variant of the electronic structural component according to the invention also consists in that the manipulator comprises a third gate electrode arrangement with gate electrodes for translating a quantum dot by means of a potential well, which is arranged on a surface of the electronic structural component and adjacent to the manipulation zone.
  • the manipulator comprises a third gate electrode arrangement with gate electrodes for translating a quantum dot by means of a potential well, which is arranged on a surface of the electronic structural component and adjacent to the manipulation zone.
  • Another advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention is that a functional element for reading out the Quantum state of a qubit is provided in a quantum dot. This measure is used to be able to read out quantum mechanical states during operations for the logical interconnection.
  • the gate electrodes of the gate electrode arrangements preferably have parallel electrode fingers, with the electrode fingers being interconnected periodically alternating in a first gate electrode arrangement, which causes an almost continuous movement of the potential well through the substrate, a first quantum dot being translated with this potential well, and the electrode fingers of a second Gate electrode arrangement form a static potential well in which a second charge carrier with a known quantum mechanical state is provided.
  • a sensor element for detecting changes in the charge is provided which detects the charge in the static potential well, the first quantum dot being translated to the second quantum dot.
  • the functional element is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be filled with electrons with the same spin.
  • a quantum dot is introduced into the static potential well, the quantum mechanical state of which is known at one level - the spin of an electron.
  • the quantum mechanical state is known at one level - the spin of an electron.
  • the movable potential well By means of the movable potential well, another quantum point is brought up to the static potential well at the same level. If the quantum mechanical states are different, the level is now filled. In this case, the sensor element detects a changed charge at this level. If the quantum mechanical states of the quantum dots are the same, then the level cannot absorb another quantum dot. The quantum mechanical state does not change at this level. This makes it possible to determine which quantum mechanical state the introduced quantum dot has.
  • the quantum dot In order to bring the quantum dot with the movable potential well to the static potential well, the quantum dot has to pass through the substrate via a Longer distances can be translated without changing the quantum mechanical state.
  • the quantum dot is quasi trapped in the potential well, which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement.
  • the potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance.
  • the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly.
  • a magnetic field generator for generating a gradient magnetic field for initializing the quantum mechanical state of the quantum dot of the static potential well.
  • a gradient magnetic field or an oscillating magnetic field can be generated with a micro-magnet, for example. These magnetic fields move the quantum dot into a desired quantum mechanical state. This allows the electronic structural component to be initialized in order to then interact with the quantum dot introduced at the same level.
  • a second gate electrode arrangement comprises two gate electrodes which together form a static double potential well, each of the static potential wells having a quantum dot with different quantum mechanical states.
  • the potential wells are each occupied with known quantum mechanical states - in the case of electrons, they are spins.
  • the charge carrier exchanges one of the quantum dots, which are held in the double potential well, with the charge carrier of the moving quantum dot.
  • the moving quantum dot always receives a defined quantum mechanical state, since the quantum mechanical states of the quantum dots in the double potential well are known.
  • the sensor element can now use the static double potential well to check whether there has been a charge change. From this it can be concluded what kind of quantum mechanical state the introduced quantum dot had.
  • a further advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention consists in that a functional element is provided for initializing the quantum state of a quantum dot.
  • the functional element for initializing the quantum state of a quantum dot preferably comprises a reservoir which is provided as a dispenser for charge carriers.
  • the gate electrodes of the gate electrode arrangements have parallel electrode fingers, the gate electrodes of a first gate electrode arrangement forming a static double potential well in the substrate or the gate electrodes of a first gate electrode arrangement forming a static potential well in the substrate, in which charge carriers from the reservoir are introduced into the quantum dots.
  • the gate electrodes of a second gate electrode arrangement form a potential well that can be moved in the substrate, a charge carrier with its quantum mechanical state being translatable with this potential well.
  • Means are provided for transferring two charge carriers from the reservoir into the static potential well.
  • a stimulator is also provided for aligning or splitting the quantum dots.
  • Means for transferring a charge carrier from the static potential well into the movable potential well are also provided.
  • the functional element for initializing the quantum state of a quantum dot is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be filled with electrons with the same spin.
  • a static potential trough is generated and, on the other hand, a movable potential trough.
  • a pair of charge carriers of one energy level is introduced into the static potential well from the reservoir. The pair of charge carriers is then split up.
  • One of the quantum dots is transferred to the moving potential well. With the stimulator, the quantum mechanical state of the quantum dots is aligned in a defined manner on the level - with an electron the spin.
  • the quantum dot in the movable potential well can now be transported away with the known quantum mechanical state, for example as an initialized qubit, with the movable potential well.
  • the quantum dot In order to bring the quantum dot with the movable potential well to the static potential well, the quantum dot must be able to be translated through the substrate over a longer distance without the quantum mechanical state changing.
  • the quantum dot is quasi trapped in the potential well, which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement.
  • the potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance.
  • the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly.
  • the stimulator is designed as a magnet which generates a gradient magnetic field for initializing the quantum dots in the static potential well.
  • the quantum dots of an energy level are aligned in a defined manner.
  • micro-magnets can preferably be used, which can be easily integrated into the semiconductor component.
  • the gradient magnetic field thus serves to initialize the quantum dots in the static potential well.
  • An oscillating magnetic field can also be used as the gradient magnetic field. This gradient magnetic field moves the quantum dot into a desired quantum mechanical state. This allows the electronic component to be initialized so that it can then interact with the introduced quantum dot at the same level.
  • the gate electrodes of the first gate electrode form a static double potential well, means for translating a quantum dot from one static potential well into the next static potential well of the static double potential well.
  • each of the static potential wells has a quantum dot with different quantum mechanical states of the same level.
  • the defined alignment of the States are in turn determined by the stimulator.
  • the potential wells are each occupied with known quantum mechanical states - in the case of electrons, they are spins.
  • FIG. 1 shows, in a schematic plan view, an exemplary embodiment of an electronic structural component according to the invention for logical interconnections of qubits of a quantum computer.
  • FIG. 2 shows a detail according to FIG. 1.
  • 3 shows a schematic top view of a first exemplary embodiment of an electronic component according to the invention, which has a junction.
  • Fig. 4 shows a section of the junction according to FIG. 11 and the course of the
  • FIG. 5 shows a schematic top view of an exemplary embodiment of an electronic component according to the invention in a section with a gate arrangement for manipulating the quantum state of a quantum dot or charge carrier.
  • FIG. 6 shows in a schematic basic sketch the sequence of a manipulation in the manipulation zone of a variant with gate electrode arrangements provided on both sides for two movable potential wells for single qubit operations.
  • FIG. 7 shows, in a schematic principle sketch, the sequence of a manipulation in the manipulation zone of a variant with gate electrode arrangements provided on one side for a movable potential well for single qubit operations.
  • FIG. 8 shows, in a schematic basic sketch, the sequence of a manipulation in the manipulation zone of a variant for two-qubit operations.
  • Fig. 9 shows a schematic plan view of the electronic component for
  • Fig. 10 shows in a schematic sketch of the principle of the sequence of an electronic component according to the invention for reading out the Quantum state of a quantum dot with a static one
  • FIG. 11 shows, in a schematic plan view, the electronic component for reading out the quantum state of a quantum dot with a static double potential well.
  • FIG. 12 shows, in a schematic principle sketch, the sequence of an electronic component according to the invention for reading out the quantum state of a quantum dot with a static one
  • FIG. 13 shows, in a schematic plan view, the electronic component for initializing the quantum state of a quantum dot with a static double potential well.
  • Fig. 14 shows in section a schematic diagram of an inventive
  • Double potential well for initializing and reading out a qubit Double potential well for initializing and reading out a qubit.
  • Fig. 15 shows in section a schematic diagram of an inventive
  • Double potential well for initializing a qubit Double potential well for initializing a qubit.
  • FIG. 16 shows, in a schematic plan view, the electronic component for initializing the quantum state of a quantum dot with a static potential well.
  • Fig. 17 shows in section a schematic diagram of an inventive
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an electronic structure component 10 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure.
  • Silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 12 for the electronic structural component 10.
  • the electronic component 10 is designed in such a way that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Functional elements 16, 18, 20, 22, 24 are provided on a surface 14 of the substrate 12.
  • the electronic structural component 10 consists of at least one unit cell 26.
  • the unit cell 26 consists of the various functional elements 16, 18, 20, 22, 24.
  • the functional element 16 comprises a transport function for moving a quantum dot in the substrate.
  • the functional element 18 is used for branching, so that branches 28 can be made possible in a logic circuit.
  • the functional element 20 is provided for manipulating qubits in quantum dots.
  • the functional element 20 can set a quantum mechanical state at a quantum dot.
  • the quantum mechanical state that can be defined in this way can then be translated by the substrate 12 with the functional element 16 or 18 over a longer distance in the structure of the electronic structural component 10.
  • the functional element 22 is used to establish quantum mechanical states. To do this, it manipulates a qubit in its quantum dot. With this functional element 22, the quantum state of a quantum dot can be established. Accordingly, the functional element 24 is used to read out the quantum dot.
  • the functional element 24 serves to initialize the quantum state of a quantum dot.
  • the unit cell 26 comprises the functional element 16 for the movement of a quantum dot, the functional element 18 for the branch, the functional element 24 for manipulating a qubit, the functional element 24 for reading out a qubit and the functional element 26 for the Function element 26 for the initialization.
  • an exemplary embodiment for an electronic component 110 is shown, which is formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 112 for the electronic component 110.
  • the electronic component 110 is configured such that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 116, 118, 120 are provided on a surface 114 of the substrate 112.
  • the gate electrode arrangements 116, 118 each have two gate electrodes 122, 124, 126, 128.
  • the individual gate electrodes 122, 124, 126, 128 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 130 in a suitable manner.
  • the gate electrode arrangements 116, 118, 120 are constructed in layers, with the insulating layer 124 being provided between each gate electrode 122, 124, 126, 128.
  • the gate electrodes 122, 124, 126, 128 furthermore include electrode fingers 132, 134, 136, 138, with those of a gate electrode 122, 124, 126, 128 each being arranged parallel to one another on the surface 114 of the substrate 112.
  • the gate electrode arrangements 116, 118, 120 are supplied with a suitable voltage via electrical connections.
  • a potential well is generated in the substrate 112.
  • a quantum dot trapped in this potential well can thus be translated through the substrate.
  • the potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 132, 134, 136, 138 with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot, which is trapped in such a potential well can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the substrate 112 made of SiGe without experiencing a quantum mechanical change of state.
  • the gate electrode arrangement 118 branches off from the gate electrode arrangement 116 in an intersection area 140.
  • the gate electrode arrangement 120 is arranged in the intersection area 140.
  • the gate electrode arrangement 120 contains two barrier gate electrodes 142, 144. These barrier gate electrodes 142, 144 can be switched on when the moving potential well with the quantum dot is located in the intersection area 140. By connecting the barrier gate electrodes 142, 144, the potential well with the quantum dot is held in the intersection area 140.
  • a pump gate electrode 146 of the gate electrode arrangement 120 causes the potential well with the quantum dot to change direction towards the gate electrode arrangement 118.
  • a barrier gate electrode 148 of the gate electrode arrangement 120 is connected.
  • the other two barrier gate electrodes 142, 144, however, are switched off.
  • the barrier gate electrode 148 blocks access to the gate electrode arrangement 118.
  • the quantum dot in the moving potential well thus has no cause for a change of direction.
  • FIG. 4 schematically shows a section through such an electronic component 110. Below the section of component 110, a progression sequence A to C of a movable potential well 150 with a quantum dot 152 is shown. In the illustration of the electronic component 110, only the electrode fingers 136, 138, the barrier gate electrodes 148 and the pump gate electrodes 146 are visible in section. Below that, sequences from A to C of the courses of potential wells 150 in the substrate 112 are shown. The electrode fingers 136, 138 of the gate electrode arrangements 118 form the movable potential wells 50 through the substrate 112. The movement of the Potential wells 150 are created by suitable interconnection of the electrode fingers 126, 128. The electrode fingers 136, 138 of the
  • gate electrode arrangements 116 are interconnected periodically in alternation, which cause an almost continuous movement of the potential well 150 through the substrate 112.
  • the illustration at hand illustrates how the potential well 150 with the quantum dot 152 is branched off from the intersection area 140.
  • the movable potential well 150 is located in the direction of the branching gate electrode 118.
  • the arrow 154 here symbolizes the direction of movement that the potential well 150 with the quantum dot 152 runs.
  • FIG. 5 shows a first exemplary embodiment for an electronic component 210 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 212 for the electronic component 210.
  • the electronic component 210 is designed in such a way that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 216, 218 are provided on a surface 214 of the substrate 212.
  • the gate electrode arrangements 216, 218 each have two gate electrodes 220, 222, 224, 226.
  • the individual gate electrodes are electrically isolated from one another by means of insulating layers 227 in a suitable manner.
  • the gate electrode assemblies 216, 218, 240 are provided in layers, between each
  • Gate electrode arrangement in each case an insulating layer 227 is provided.
  • the gate electrodes 220, 222, 224, 226 further comprise electrode fingers 228, 230, 232, 234, which are arranged parallel to one another on the surface 214 of the substrate.
  • a manipulation zone 238 is formed in an adjacent area 236 where the gate electrode assemblies 216, 218 meet.
  • a manipulator 239 which contains a further gate electrode arrangement 140.
  • the gate electrode arrangement 240 comprises gate electrodes 242, 244, 246, which have at least one static potential well form.
  • the gate electrode arrangement 240 also contains pump gate electrodes 248, 250, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation.
  • the gate electrode arrangements 216, 218, 240 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 220, 222, 224, 226 of the
  • Gate electrode arrangements 216, 218 create a potential well in substrate 212.
  • a quantum dot or charge carrier trapped in this potential well can be translated through the substrate.
  • the potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 228, 230, 232, 234 with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot or the charge carrier that is quasi trapped in such a potential well can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 212 without experiencing a quantum mechanical change in state.
  • FIG. 6 shows, in a schematic principle sketch, the sequence of a manipulation of a quantum dot or charge carrier 252, 254 in the manipulation zone 238 for a single qubit operation.
  • the figure shows a section of the electronic component 210 so that only the electrode fingers 228, 230, 232, 234, the barrier gate electrodes 242, 244, 246 and the pump gate electrodes 248, 250 are visible in section.
  • sequences A to F of the courses of the potential wells 256, 258, 260 in the substrate 212 are shown for the purpose of explaining the function.
  • the electrode fingers 228, 230, 232, 234 of the gate electrode arrangement 216, 218 form movable potential wells 256 and 258 through the substrate 212.
  • the movement of the potential troughs 256, 258 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 228, 230, 232, 234.
  • the electrode fingers 228, 230, 232, 234 of the gate electrode arrangement 216, 218 are interconnected periodically alternating, which results in an almost continuous movement of the potential troughs 256, 258 through the substrate 212.
  • a static double trough 260 is formed in the manipulation zone 238.
  • the static double well 260 is created by the barrier gate electrodes 242, 244, 246.
  • a quantum dot 254 with the movable potential well 258 is brought into the static double potential well 260 in the manipulation zone 238. Through the manipulator 239, for example a gradient magnetic field, the quantum dot 254 can assume a defined quantum mechanical state.
  • Another quantum dot 252 waits outside the manipulation zone 238.
  • a defined quantum state of the quantum dot 254 is reached by movement in the magnetic field gradient of the manipulator 239. There is now the possibility that the quantum dot 254 assumes a defined quantum state through delocalization (E) or through rapid back and forth movement in the magnetic field gradient (F).
  • the quantum dots 252, 254 carried away from the manipulation zone 238 receive quantum mechanical states defined in this way.
  • FIG. 7 shows in a schematic basic sketch the sequence of a manipulation of a quantum dot or charge carrier 254 in the manipulation zone 238 for a single qubit operation.
  • the figure shows a section of the electronic component 210, so that only the electrode fingers 232, 234, the barrier gate electrodes 242, 244, 246 and the pump gate electrodes 248, 250 are visible in section.
  • sequences A to F of the courses of the potential wells 258, 260 in the substrate 212 are shown for the purpose of explaining the function.
  • Gate electrode arrangements 216, 218 form the movable potential well 258 through the substrate 212.
  • the movement of the potential well 258 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 232, 234.
  • the electrode fingers 232, 234 of the gate electrode arrangement 218 are interconnected periodically alternating, which causes an almost continuous movement of the potential well 258 through the substrate 212.
  • the static double trough 260 is formed in the manipulation zone 238.
  • the static double well 260 is created by the barrier gate electrodes 242, 244, 246.
  • the quantum dot 254 is connected to the movable potential well 258 static double potential well 260 in the manipulation zone 238 brought in.
  • the quantum dot 254 can assume a defined quantum mechanical state.
  • the quantum dot 254 assumes a defined quantum state through delocalization in the double well (E) or through rapid to and fro movement in the magnetic field gradient (F).
  • the quantum dots 254 carried away from the manipulation zone 238 thus receive a defined quantum mechanical state.
  • FIG. 8 shows, in a schematic basic sketch, the sequence of a manipulation in the manipulation zone 238 of a further variant for two-qubit operations.
  • the figure shows a section of the electronic component 210 so that only the electrode fingers 228, 230, 232, 234, the barrier gate electrodes 242, 244, 246 and the pump gate electrodes 248, 250 are visible in section.
  • sequences A to E of the courses of the potential wells 256, 258, 260 in the substrate 212 are shown for the purpose of explaining the function.
  • the electrode fingers 228, 230, 232, 234 of the gate electrode arrangements 216, 218 form movable potential wells 256 and 258 through the substrate 212.
  • the movement of the potential troughs 256, 258 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 228, 230, 232, 234.
  • the electrode fingers 228, 230, 232, 234 of the gate electrode arrangement 216, 218 are interconnected periodically alternating, which results in an almost continuous movement of the potential troughs 256, 258 through the substrate 212.
  • the static double trough 260 is formed in the manipulation zone 238.
  • the static double trough 260 is also generated here by the barrier gate electrodes 242, 244, 246.
  • the quantum dots 252, 254 are translated with the movable potential wells 256, 258 to the static double potential well 260 in the manipulation zone 238 and each introduced into the double potential well 260.
  • the quantum dots 252, 254 can assume a defined quantum mechanical state.
  • Exchange interaction 264 allows two qubit operations between the Quantum dots 252, 254 are performed.
  • the quantum dots 252, 254 carried away from the manipulation zone 238 receive quantum mechanical states defined in this way.
  • FIG. 9 shows a first exemplary embodiment for an electronic component 310 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as substrate 312 for electronic component 310.
  • the electronic component 310 is configured such that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 316, 318 are provided on a surface 314 of the substrate 312.
  • the gate electrode arrangement 316 has two gate electrodes 320, 322.
  • the individual gate electrodes 320, 322 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 324 in a suitable manner.
  • the gate electrode arrangements 316, 318 are provided in layers, with the insulating layer 324 being provided between each gate electrode 320, 322.
  • the gate electrodes 320, 322 further comprise electrode fingers 326, 328 which are arranged parallel to one another on the surface 314 of the substrate 312.
  • the gate electrode arrangements 316, 318 are supplied with a suitable voltage via electrical connections.
  • a potential well is generated in the substrate 312.
  • a quantum dot or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate.
  • the potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 326, 328 with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot or the charge carrier that is quasi trapped in such a potential well can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 312 without experiencing a quantum mechanical change of state.
  • the gate electrode arrangement 316 forms an area in which a quantum dot can be translated by means of a potential well.
  • the gate electrode arrangement 318 forms a static potential well.
  • the gate electrode arrangement 318 comprises barrier gate electrodes 330, 332 and a pump gate electrode 334, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation.
  • the pump gate electrode 334 is arranged between the barrier gate electrodes 330, 332.
  • the gate electrodes 330, 332 and 334 are also each separated by an insulating layer 324.
  • a sensor element 336 for detecting changes in charge is connected to the barrier gate electrode arrangement.
  • the sensor element 336 detects the charge which is present in the static potential well.
  • the potential well is generated by the gate electrode arrangement 318.
  • FIG. 10 shows, in a schematic principle sketch, the sequence for reading out a quantum state of a qubit in a quantum dot 342.
  • the illustration shows a section into the electronic component 310, so that only the electrode fingers 326, 328, the barrier gate electrodes 330, 332 and the pump gate electrodes 334 are visible in section.
  • sequences from A to C of the courses of potential wells 346, 348 in the substrate 312 are shown for the purpose of explaining the function.
  • the electrode fingers 326, 328 of the gate electrode arrangement 316 form the movable potential well 346 through the substrate 312.
  • the movement of the potential wells 342 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 326, 328.
  • the electrode fingers 326, 328 of the gate electrode arrangement 316 are interconnected periodically in alternation, which cause an almost continuous movement of the quantum dot 342 through the substrate 312.
  • the electronic component 310 is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be occupied by electrons with the same spin.
  • the static potential well 348 is generated and, on the other hand, the movable potential well 346 is generated by means of the Gate electrodes 326, 328.
  • a quantum dot 342 is introduced into the static potential well 348, of which the quantum mechanical state is known at one level - for an electron the spin.
  • the quantum dot is aligned with the pump gate electrode 340, eg spin-up, as shown here.
  • a further quantum dot 344 is brought up to the static potential well 348 at the same level.
  • Arrow 350 indicates the translation direction of the quantum dot 344 with the movable potential well 346. If the quantum mechanical states are different, the level is now filled. Filling can be done by tunneling, which is symbolized by arrow 352.
  • the sensor element 336 detects a changed charge at this level. If the quantum mechanical states of the quantum dots 342, 344 are the same, then the level cannot take up another charge carrier 358. The quantum mechanical state does not change at this level. It can thus be determined which quantum mechanical state the introduced quantum dot 342 has.
  • FIG. 11 shows a further exemplary embodiment for the electronic component 310 according to the invention, which is again formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as substrate 312 for electronic component 310.
  • the electronic component 310 is configured such that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 316, 318 are provided on surface 314 of substrate 312.
  • the gate electrode arrangement 316 has two gate electrodes 320, 322.
  • the individual gate electrodes 320, 322 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 324 in a suitable manner.
  • the gate electrodes 320, 322 of the gate electrode arrangement 316 are provided in layers for this purpose, with the insulating layer between each gate electrode 320, 322 of the gate electrode arrangement 316 324 is provided.
  • the gate electrodes 320, 322 further comprise the electrode fingers 326, 328, which are arranged parallel to one another on the surface 314 of the substrate 312.
  • the gate electrode arrangements 316, 318 are supplied with a suitable voltage via electrical connections.
  • a movable potential well is generated in the substrate 312.
  • a quantum dot 342 or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate.
  • the potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 326, 328 with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot 342 or the charge carrier 358 which is quasi trapped in such a potential well, can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 312 without experiencing a quantum mechanical change in state.
  • the gate electrode arrangement 318 forms a static double potential well.
  • the gate electrode arrangement 318 comprises the barrier gate electrodes 330, 332, 338 and, in addition to the pump gate electrode 334, a further pump gate electrode 340, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation.
  • the pump gate electrodes 334, 340 are arranged alternately between the barrier gate electrodes 330, 332 and 338.
  • the sensor element 336 for detecting changes in charge connects to the barrier gate electrode arrangement 318.
  • the sensor element 336 detects the charge which is present in the static double potential well.
  • the double potential well is generated by the gate electrode arrangement 318.
  • FIG. 12 shows, in a schematic principle sketch, the sequence for reading out a quantum state of a qubit in the quantum dot 342.
  • the illustration shows a section through the electronic component 310, so that only the electrode fingers 326, 328, the barrier gate electrodes 330, 332, 338 and the pump gate electrodes 334, 340 are visible in section.
  • sequences from A to F of the courses from the potential wells 346, 348 in the substrate 312 are shown to explain the function.
  • the electrode fingers 326, 328 of the gate electrode arrangement 316 form the movable potential wells 346 through the substrate 312.
  • the movement of the potential troughs 346 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 326, 328.
  • the electrode fingers 326, 328 of the gate electrode arrangement 316 are interconnected periodically alternating, which cause an almost continuous movement of the potential trough 346 through the substrate 312.
  • the electronic component 310 is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be occupied by electrons with the same spin.
  • a static double potential well 362 is generated and on the other hand the movable potential well 346.
  • a charge carrier 358 is introduced into a first potential well 364 of the static double potential well 362.
  • Two charge carriers 358 are split up with the pump gate electrodes 334, 340, for example with the aid of a gradient magnetic field.
  • a split-off charge carrier 360 tunnels into a second static potential well 366.
  • a further quantum dot 342 is brought up to the second static potential well 366 of the double potential well 362 at the same level.
  • Arrow 350 indicates the translation direction of the quantum dot 342 with the movable potential well 346.
  • the quantum dot 360 of the second static potential well 366 exchanges with the quantum dot 342 of the movable potential well 346.
  • the quantum mechanical state with the movable potential well 346 is known.
  • the sensor element 336 does not detect any change in charge. If the quantum mechanical states of the quantum dot 360 and 342 are different, a change in charge is detected. The filling can take place by tunneling, which is symbolized by the arrow 352.
  • FIG. 13 shows an exemplary embodiment of the electronic component 410 according to the invention, which is again formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410.
  • the electronic component 410 is configured to contain a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on surface 414 of substrate 412.
  • the gate electrode arrangement 416 has two gate electrodes 420, 422.
  • the individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 424 in a suitable manner.
  • the gate electrodes 420, 422 of the gate electrode arrangement 416 are provided in layers for this purpose, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422 of the gate electrode arrangement 416.
  • the gate electrodes 420, 422 further comprise the electrode fingers 426, 428, which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
  • the gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections.
  • a movable potential well is generated in the substrate 412.
  • a quantum dot 442 or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate.
  • the potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 426, 428 with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot 442, which is quasi trapped in such a potential well, can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
  • the gate electrode arrangement 418 forms a static double potential well.
  • the gate electrode arrangement 418 comprises the barrier gate electrodes 436, 438, 440 and, in addition to the pump gate electrode 442, a further pump gate electrode 444, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation.
  • the pump gate electrodes 442, 444 are arranged alternately between the barrier gate electrodes 436, 438 and 440.
  • the gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 have electrode fingers 437, 439, 441, 443, 445, respectively.
  • the reservoir 449 for introducing changes in charge connects to the barrier gate electrode arrangement 418.
  • FIG. 14 shows in section a first exemplary embodiment for an electronic component 410 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410.
  • the electronic component 410 is configured to contain a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on a surface 414 of the substrate 412.
  • the gate electrode arrangement 416 has two gate electrodes 420, 422.
  • the individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 424 in a suitable manner.
  • the gate electrode arrangements 416, 418 are provided in layers, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422.
  • the gate electrodes 420, 422 further comprise electrode fingers 426, 428 which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
  • the gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections.
  • a potential well 430 is generated in the substrate 412.
  • a quantum dot 432 or charge carrier trapped in this potential well 430 can thus be translated through the substrate.
  • the potential well 430 is activated by the appropriate control of the Electrode fingers 426, 428 translated longitudinally through the substrate with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot 432 or the charge carrier that is quasi trapped in such a potential well 430 can be translated with this potential well 430 over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
  • the gate electrode arrangement 418 forms a static double trough 434.
  • the gate electrode arrangement 418 comprises barrier gate electrodes 436,
  • the pump gate electrodes 442, 444 are arranged between the barrier gate electrodes 436, 438, 440, respectively.
  • the gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 of the gate electrode arrangement 418 are each separated by an insulating layer 424.
  • the gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 each have electrode fingers 437,
  • the electrode fingers 437, 439, 441, 443, 445 can be seen in this sectional drawing.
  • the profiles in the substrate 412 of the electronic component 410 for initializing a quantum state of a qubit in a quantum dot are shown schematically below the gate electrode arrangements 416, 418.
  • the sequences from A to F of the courses from the potential wells 430, 434 in the substrate 412 are shown to explain the function.
  • the electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangements 416 form the movable potential wells 430 through the substrate 412.
  • the movement of the potential troughs 430 takes place through the suitable interconnection of the electrode fingers 426, 428.
  • the electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 are interconnected periodically alternating, which cause an almost continuous movement of the potential trough 442 through the substrate 412.
  • the electronic component 410 is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be occupied by electrons with the same spins.
  • a static double potential well 434 is generated and, on the other hand, the movable potential well 430 is generated with the gate electrodes 420, 422.
  • a first potential well 446 of the static double potential well 434 two charge carriers 448 are created from a reservoir 449 introduced.
  • the charge carriers 448 are split up and aligned with a stimulator 451, for example with the aid of a gradient magnetic field and the pump gate electrodes 442, 444.
  • a split-off charge carrier 450 tunnels into a second static potential well 452 of the double potential well 434, which is indicated by arrow 453. Only one charge carrier 454 remains in the first static potential well.
  • the quantum states of the quantum dots 450, 454 in the potential wells 446, 448 are due to the alignment of a
  • a further quantum dot 432 is brought up to the second static potential well 452 of the double potential well 434 at the same level.
  • the quantum mechanical state of quantum dot 432 is not known.
  • Arrow 458 indicates the translation direction of the quantum dot 432 with the movable potential well 430.
  • the quantum dot 450 of the second static potential well 452 exchanges with the quantum dot 432 of the movable potential well 430.
  • the quantum mechanical state of the quantum dot 450 is known, is now located in the movable potential well 430 and initializes a qubit, for example.
  • the quantum dot 432 tunnels, provided it has the same spin as the quantum dot 450 now removed for initialization, into the first static potential well 46 of the double potential well 434.
  • a sensor element not shown here would therefore not detect any change in charge. If the quantum mechanical states of the quantum dot 450 and 432 are different, a change in charge can be detected.
  • the exchange by tunneling is symbolized with arrow 460.
  • 15 shows, in section, a further exemplary embodiment for the electronic component 410 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component 410 are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410.
  • the electronic component 10 is designed in such a way that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on surface 414 of substrate 412.
  • the gate electrode arrangement 416 also has the two gate electrodes 420, 422 here.
  • the individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 24 in a suitable manner.
  • the gate electrode arrangements 416, 418 are provided in layers, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422.
  • the gate electrodes 420, 422 further comprise electrode fingers 426, 428 which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
  • the gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections.
  • a potential well 430 is generated in the substrate 412.
  • a quantum dot or charge carrier trapped in this potential well 430 can thus be translated through the substrate.
  • the potential well 430 is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 426, 428 with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot or the charge carrier, which is quasi trapped in such a potential well 430, can be translated with this potential well 430 over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
  • the gate electrode arrangement 418 forms a static double trough 434.
  • the gate electrode arrangement 418 comprises the barrier gate electrodes 436, 438, 440 and two pump gate electrodes 442, 444, which the quantum dot 432, 448, 450, 454 or a charge carrier can move or vibrate.
  • the pump gate electrodes 442, 444 are each between the barrier gate electrodes 436, 438, 440 and two pump gate electrodes 442, 444, which the quantum dot 432, 448, 450, 454 or a charge carrier can move or vibrate.
  • the pump gate electrodes 442, 444 are each between the barrier
  • Gate electrodes 436, 438, 440 arranged.
  • the gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 of the gate electrode arrangement 418 are each separated by an insulating layer 424.
  • the gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 each have electrode fingers 437, 439, 441, 443, 445.
  • the electrode fingers 437, 439, 441, 443, 445 can be seen in this sectional drawing.
  • the profiles in the substrate 412 of the electronic component 410 for initializing a quantum state of a qubit in a quantum dot are shown schematically below the gate electrode arrangements 416, 418.
  • the sequences from A to D of the courses from the potential wells 430, 434 in the substrate 412 are shown to explain the function.
  • the electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 form the movable potential wells 430 through the substrate 412.
  • the movement of the potential troughs 430 takes place through the suitable interconnection of the electrode fingers 426, 428.
  • the electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 are interconnected periodically alternating, which cause an almost continuous movement of the potential trough 442 through the substrate 412.
  • the static double potential well 434 is generated and, on the other hand, with the gate electrodes 420, 422, the movable potential well 430.
  • the charge carriers 448 are split up and aligned with the stimulator 451, which comprises the pump gate electrodes 442, 444, for example with the aid of a gradient magnetic field.
  • the split-off quantum dot charge carrier 450 tunnels quantum mechanically into the second static potential well 452 of the double potential well 434, which is indicated by arrow 453. Only the quantum dot charge carrier 454 remains in the first static potential well 446 Quantum states of the quantum dots 450, 454 in the potential wells 446, 452 are known from the alignment of an applied gradient magnetic field.
  • the movable potential well 430 is brought up to the second potential well 452 of the static double well 434.
  • the charge carrier 450 passes from the static potential well 452 into the movable potential well 430.
  • the quantum dot 450 can now be led away with the movable potential well 430, arrow 458.
  • the quantum mechanical state of the quantum dot 450 is known, which creates a qubit for example can be initialized.
  • FIG. 16 shows a further exemplary embodiment for the electronic component 410 according to the invention, which is again formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410.
  • the electronic component 410 is configured to contain a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on surface 414 of substrate 412.
  • the gate electrode arrangement 416 has two gate electrodes 420, 422.
  • the individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 424 in a suitable manner.
  • the gate electrodes 420, 422 of the gate electrode arrangement 416 are provided in layers for this purpose, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422 of the gate electrode arrangement 416.
  • the gate electrodes 420, 422 further comprise the electrode fingers 426, 428, which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
  • the gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections.
  • a movable potential well is generated in the substrate 412.
  • a quantum dot 442 or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate.
  • the potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 426, 428 with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot 442, which is quasi trapped in such a potential well, can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
  • the gate electrode arrangement 418 forms a static potential well.
  • the gate electrode arrangement 418 comprises the barrier gate electrodes 36, 40 and, in addition to the pump gate electrode 442, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation.
  • Pump gate electrode 442 is disposed between barrier gate electrodes 436 and 440.
  • the gate electrodes 436, 440, 442 have electrode fingers 437, 441, 443, respectively.
  • the reservoir 449 for introducing changes in charge connects to the barrier gate electrode arrangement 418.
  • FIG. 17 shows in section a further exemplary embodiment for the electronic component 410 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure.
  • the structures of the component 410 are preferably in a nanoscale dimension.
  • Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410.
  • the electronic component 410 is configured to contain a two-dimensional electron gas (2DEG).
  • Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on surface 414 of substrate 412.
  • the gate electrode arrangement 416 also has the two gate electrodes 420, 422 here.
  • the individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 424 in a suitable manner.
  • the gate electrode assemblies 416, 418 are provided in layers for this purpose, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422.
  • the gate electrodes 420, 422 further comprise electrode fingers 426, 428 which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
  • the gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections.
  • a potential well 430 is generated in the substrate 412.
  • a quantum dot or charge carrier trapped in this potential well 430 can thus be translated through the substrate.
  • the potential well 430 is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 426, 428 with sinusoidal voltages.
  • the quantum dot or the charge carrier, which is quasi trapped in such a potential well 430, can be translated with this potential well 430 over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
  • the gate electrode arrangement 418 forms a static potential well 470.
  • the gate electrode arrangement 418 comprises the barrier gate electrodes 436, 440 and a pump gate electrode 442, which can set the quantum dot 48 or a charge carrier in motion or oscillation.
  • the pump gate electrode 442 is arranged between the barrier gate electrodes 436, 440.
  • the gate electrodes 436, 440, 442 of the gate electrode arrangement 418 are each separated by an insulating layer 424.
  • the gate electrodes 436, 440, 442 each have electrode fingers 437, 441, 443.
  • the electrode fingers 437, 441, 443 can be seen in this sectional drawing.
  • the profiles in the substrate 412 of the electronic component 410 for initializing a quantum state of a qubit in a quantum dot are shown schematically below the gate electrode arrangements 416, 418.
  • the sequences from A to D of the courses from the potential wells 430, 470 in the substrate 412 are shown to explain the function.
  • the electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 form the movable potential wells 430 through the substrate 412.
  • the movement of the potential troughs 430 takes place through the suitable interconnection of the electrode fingers 426, 428.
  • the electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 are interconnected periodically alternating, which cause an almost continuous movement of the potential trough 442 through the substrate 412.
  • the gate electrodes 436, 440 and 442 By means of the gate electrodes 436, 440 and 442, on the one hand the static potential well 470 is generated and on the other hand the movable potential well 430 is generated with the gate electrodes 420, 422.
  • Two charge carriers 448 from the reservoir 449 are introduced into the potential well 470.
  • the charge carriers 448 are split up and aligned with the stimulator 451, for example with the aid of a gradient magnetic field.
  • the split-off charge carrier 450 tunnels quantum mechanically into the movable potential well 430, which is indicated by arrow 453. Only the charge carrier 454 remains in the static potential well 470.
  • the quantum states of the quantum dots 450, 454 in the potential wells 470, 430 are known from the alignment of an applied gradient magnetic field.
  • the quantum dot 450 can now be led away with the movable potential well 430, arrow 458.
  • the quantum mechanical state of the quantum dot 450 is known, which means that a qubit can be initialized, for example.
  • Electrode fingers 246 barrier gate electrodes Pump gate electrodes 358 Charge carriers Pump gate electrodes 360 Split quantum dot Quantum dot 362 Double potential well Quantum dot 364 First stat. Potential well Movable potential well 366 second stat. Potential trough Movable potential trough Static double trough 410 Electronic component Horizontal arrows 412 Substrate 414 Area of electronic component 416 Gate electrode arrangement Substrate 418 Gate electrode arrangement Area 420 Gate electrode Gate electrode arrangement 422 Gate electrode Gate electrode arrangement 424 Insulating layers Gate electrodes 426 Electrode finger Electrodes 430 Gate electrode 436 Barrier gate electrode Pump gate electrode 437 Electrode finger Sensor element 438 Barrier gate electrode Barrier gate electrode 439 Electrode finger Pump gate electrode 440 Barrier gate electrode Quantum dot 441 Electrode finger Quantum dot 442 Pump gate electrode Moving potential well 443 Electrode finger 444 Pump potential well electrode 445 el Electrode finger arrow (tunneling) 446 1st static potential well Charge carrier 454 Remaining quantum dot reservoir 458 arrow (translation)

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Abstract

The invention relates to an electronic structural component (10, 110, 210, 310, 410) for logically connecting qubits of a quantum computer, said structural component being made of a semiconductor component or a semiconductor-like structure, comprising a substrate (12) with a two-dimensional electron gas or electron hole gas and gate electrode assemblies (116, 118, 120) with gate electrodes (122, 124, 126, 128) which are arranged on a surface (14) of the electronic structural component (10, 110, 210, 310, 410). Electric contacts are connected in order to connect the gate electrode assemblies (116, 118, 120) to power sources. The gate electrodes (122, 124, 126, 128) of the gate electrode assemblies (116, 118, 120) have parallel electrode fingers (132, 134, 136, 138).

Description

Patentanmeldung Patent application
Elektronisches Struktur-Bauelement für logische Verschaltungen von QubitsElectronic structural component for logical interconnections of qubits
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft ein elektronisches Struktur-Bauelement für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers, welches von einem Halbleiterbauelement oder einer halbleiterähnlichen Struktur gebildet wird, umfassend a) ein Substrat mit einem zweidimensionalen Elektronengas oder Elektronenlochgas; b) Gatterelektrodenanordnungen mit Gatterelektroden, welche an einer Fläche des elektronischen Struktur-Bauelements angeordnet sind; c) elektrische Kontakte zum Verbinden der Gatterelektrodenanordnungen mit Spannungsquellen; d) Gatterelektroden der Gatterelektrodenanordnungen parallel verlaufende Elektrodenfinger aufweisen. The invention relates to an electronic structural component for logical interconnections of qubits of a quantum computer, which is formed by a semiconductor component or a semiconductor-like structure, comprising a) a substrate with a two-dimensional electron gas or electron hole gas; b) gate electrode arrangements with gate electrodes which are arranged on a surface of the electronic structural component; c) electrical contacts for connecting the gate electrode assemblies to voltage sources; d) gate electrodes of the gate electrode arrangements have parallel electrode fingers.
Beschreibung description
Herkömmliche Computer arbeiten mit Halbleiterbauteilen mit integrierten Schaltkreisen. Diese Schaltkreise arbeiten immer mit Systemen welche auf einer logischen „0" oder „1" basieren - also Schalter „an" oder „aus". Bei Halbleiterspeichern wird dies dadurch realisiert, dass das Potential entweder oberhalb oder unterhalb eines Schwellwerts liegt. Diese zwei Zustände bilden die kleinste Einheit bei Computern und werden als „Bit" bezeichnet. Conventional computers use semiconductor components with integrated circuits. These circuits always work with systems which are set to a logical "0" or "1" based - that is, switches "on" or "off". In the case of semiconductor memories, this is implemented in that the potential is either above or below a threshold value. These two states form the smallest unit in computers and are known as "bits".
Diese Halbleiterbauteile bestehen oft aus dotierten Siliziumelementen, um die Schaltungen zu realisieren. So lassen sich beispielsweise Transistorschaltungen in solchen Halbleiterbauteilen anordnen und zu einem logischen Schaltkreis verknüpfen. Durch immer besser werdende chemische und physikalische Herstellungsverfahren können diese Halbleiterbauteile mittlerweile in immer extremerer Kompaktheit produziert werden. Diese Kompaktheit stößt aber an ihre physikalischen Grenzen. Sowohl die Dichte der Schaltungen als auch die Temperatur führen häufig zu Problemen in solchen Halbleiterbauteilen. So können insbesondere noch Optimierungen durch mehrere Schichtmodelle, höhere Schalttaktung oder auch bei der Wahl des Halbleitermaterials erzielt werden. Trotzdem reichen die Rechenleistungen für viele Anwendungen, wie z.B. in der kryptographischen Technologie oder bei Berechnung von Wetter- bzw. Klimamodellen wegen der enormen Datenmengen oft nicht aus. These semiconductor components often consist of doped silicon elements in order to realize the circuits. For example, transistor circuits can be arranged in such semiconductor components and linked to form a logic circuit. As chemical and physical manufacturing processes are getting better and better, these semiconductor components can now be produced with ever more extreme compactness. However, this compactness has reached its physical limits. Both the density of the circuits and the temperature often lead to problems in such semiconductor components. In this way, in particular, optimizations can be achieved through several layer models, higher switching clocks or the choice of semiconductor material. Nevertheless, the computing power is often insufficient for many applications, e.g. in cryptographic technology or when calculating weather or climate models due to the enormous amount of data.
Um Rechenleistung erheblich zu erhöhen, sind seit langem Modelle für sogenannte Quantencomputer bekannt. Technisch ließen sie sich aus unterschiedlichen Gründen bislang jedoch noch nicht realisieren. Die Modelle von Quantencomputern sehen vor, dass quantenmechanische Zustände von Teilchen, wie z.B. Elektronen, ausgenutzt werden. Dabei wird ein quantenmechanisches System mit zwei Zuständen als kleinste Einheit zum Speichern von Informationen als „Qubit" bezeichnet. Ein Qubit wird beispielsweise durch den quantenmechanischen Zustand Spin „Up" und Spin „Down" definiert. In order to increase computing power considerably, models for so-called quantum computers have long been known. For various reasons, however, it has not yet been technically possible to implement them. The models of quantum computers provide that quantum mechanical states of particles, such as electrons, are used. A quantum mechanical system with two states as the smallest unit for storing information is referred to as a “qubit”. A qubit is defined, for example, by the quantum mechanical state spin “up” and spin “down”.
Das Prinzip von Elektronen-Spin-Qubits gleicht sich immer, unabhängig vom jeweils gewählten Materialsystem. Als Substrat dient dabei eine Halbleiter-Heterostruktur. Die Halbleiter-Heterostruktur beinhaltet ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG). Halbleiter-Heterostrukturen sind monokristallin aufeinander gewachsene Schichten von Halbleitern mit unterschiedlicher Zusammensetzung. Diese Schichtstrukturen liefern zahlreiche technisch relevante Quantisierungseffekte bezüglich ihrer elektronischen und optischen Eigenschaften. Daher sind sie für die Herstellung mikroelektronischer Bauelemente besonders geeignet. Derzeit wichtigste Materialkombination für die Herstellung von Halbleiter-Heterostrukturen ist das System GaAs/AIGaAs. The principle of electron spin qubits is always the same, regardless of the material system chosen. A semiconductor heterostructure serves as the substrate. The semiconductor heterostructure contains a two-dimensional electron gas (2DEG). Semiconductor heterostructures are monocrystalline layers of Semiconductors with different compositions. These layer structures provide numerous technically relevant quantization effects with regard to their electronic and optical properties. They are therefore particularly suitable for the production of microelectronic components. Currently the most important combination of materials for the production of semiconductor heterostructures is the GaAs / AIGaAs system.
Halbleiter-Heterostrukturen bilden dabei sogenannte Quantenfilme an Grenzflächen verschiedener Materialien aus. Diese entstehen insbesondere wegen unterschiedlicher Energieverhältnisse in den beiden Materialien. Die so vorgegebene Energieverteilung hat zur Folge, dass sich Ladungsträger aus der Umgebung im Quantenfilm sammeln. Dort sind sie dann in ihrer Bewegungsfreiheit weitgehend auf die Schicht eingeschränkt und bilden das zweidimensionales Elektronengas (2DEG). Semiconductor heterostructures form so-called quantum films at the interfaces between different materials. These arise in particular because of the different energy ratios in the two materials. The predetermined energy distribution has the consequence that charge carriers from the environment collect in the quantum film. There they are largely restricted in their freedom of movement to the layer and form the two-dimensional electron gas (2DEG).
Als Quantenpunkt wird eine nanoskopische Materialstruktur bezeichnet. Halbleitermaterialien sind hierfür besonders geeignet. Ladungsträger, sowohl Elektronen, als auch Löcher, werden in einem Quantenpunkt in ihrer Beweglichkeit so weit eingeschränkt, dass ihre Energie nicht mehr kontinuierliche, sondern immer nur noch diskrete Werte annehmen kann. Mittels nanoskaliger Gatterelektroden (sog. gates), die auf die Oberfläche des Bauelements aufgebracht werden, wird die Potentiallandschaft innerhalb des zweidimensionalen Elektronengas (2DEG) derart geformt, das einzelne Elektronen in den Quantenpunkten eingefangen werden können. Anschließend dient der Spin dieser Elektronen als Basis, um ein logisches Qubit zu formen. A nanoscopic material structure is called a quantum dot. Semiconductor materials are particularly suitable for this. Charge carriers, both electrons and holes, are so limited in their mobility in a quantum dot that their energy can no longer assume continuous, but only discrete values. Using nanoscale gate electrodes (so-called gates), which are applied to the surface of the component, the potential landscape within the two-dimensional electron gas (2DEG) is shaped in such a way that individual electrons can be captured in the quantum dots. The spin of these electrons then serves as the basis to form a logical qubit.
Mithilfe eines externen Magnetfelds können elektronische Zustände hinsichtlich ihres Spin-Zustands aufgespalten (Zeemann-Effekt) und damit separat adressiert werden. Anschließend dient der Spin dieser Elektronen als Basis von Eigenzuständen, um ein logisches Qubit zu formen. Darüber hinaus können aufgrund quantenmechanischer Effekte auch überlagerte Zustände dieser beiden Eigenzustände realisiert werden. Es sind Methoden zur Manipulation von einzelnen Qubits über Elektron-Spin-Resonanz (ESR) oder Elektron-Dipol-Spin-Resonanz (EDSR) bekannt. Zwei- Qubit-Operationen sind über Austauschwechselwirkung bekannt. With the help of an external magnetic field, electronic states can be split up in terms of their spin state (Zeemann effect) and thus addressed separately. The spin of these electrons then serves as a basis for eigenstates to form a logical qubit. In addition, due to quantum mechanical effects, superimposed states of these two eigenstates can also be realized. Methods for manipulating individual qubits via electron spin resonance (ESR) or electron dipole spin resonance (EDSR) are known. Two-qubit operations are known through exchange interaction.
Stand der Technik State of the art
Aus der US 2017/0317203 Al ist eine Quantenpunktvorrichtung bekannt, die mindestens drei leitende Schichten und mindestens zwei isolierende Schichten umfasst. Dabei sind die drei leitenden Schichten voneinander elektrisch isoliert. Es wird dort beschrieben, dass eine leitende Schicht aus einem anderen Material besteht, als die jeweils beiden anderen leitenden Schichten. Die leitenden Schichten können z.B. vollständig und/oder teilweise aus Aluminium, Gold, Kupfer oder Polysilicium bestehen. Die Isolierschichten bestehen hingegen z.B. aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und/oder Aluminiumoxid. Dabei bewirken die Verbindungen zwischen den leitenden Schichten und den isolierenden Schichten u.a., dass einzelne Elektronen unter Verwendung von Spannungsimpulsen durch Quantenpunkte der Vorrichtung geschleust werden. From US 2017/0317203 A1 a quantum dot device is known which comprises at least three conductive layers and at least two insulating layers. The three conductive layers are electrically isolated from one another. It is described there that a conductive layer consists of a different material than the other two conductive layers. The conductive layers can for example consist entirely and / or partially of aluminum, gold, copper or polysilicon. The insulating layers, on the other hand, consist, for example, of silicon oxide, silicon nitride and / or aluminum oxide. The connections between the conductive layers and the insulating layers have the effect, among other things, that individual electrons are channeled through quantum dots of the device using voltage pulses.
In dieser Quantenpunktvorrichtung ist ein Elektron in einer Potentialmulde quasi gefangen. Durch quantenmechanisches Tunneln wird dabei ein Elektron hier von Quantenpunkt zu Quantenpunkt bewegt. Dies kann zu Ungenauigkeiten bzw. Verfälschungen des Informationsgehalts über den quantenmechanischen Zustand bei der Bewegung eines Elektrons über längere Distanzen führen. In this quantum dot device, an electron is quasi trapped in a potential well. Through quantum mechanical tunneling, an electron is moved from quantum dot to quantum dot. This can lead to inaccuracies or falsifications of the information content about the quantum mechanical state when an electron moves over longer distances.
Die WO 2017/020095 Al offenbart eine skalierbare Architektur für eine skalierbare Architektur für ein Verarbeitungsgerät zur Durchführung von Quantenverarbeitung. Die Architektur basiert auf einer Voll-Silizium-CMOS-Fertigungstechnologie. Transistor basierte Steuerschaltungen werden zusammen mit potentialfreien Gates verwendet, um ein zweidimensionales Array von Qubits zu betreiben. Die Qubits werden durch die Spinzustände eines einzelnen Elektrons definiert, das in einem Quantenpunkt eingeschlossen ist. Hier wird eine übergeordnete Ebene beschrieben, d.h. wie einzelne Qubits elektrisch angesteuert werden können, zum Beispiel via Transistoren etc., inkl. Qubit-Operation und Readout. Es wird zwar von einer „skalierbaren Architektur" gesprochen, jedoch lässt das gezeigte Array keine wirkliche Skalierung, d.h. unter anderem Integration von tiefkalter Elektronik zu, da kein Platz zwischen den Qubits geschaffen werden kann. WO 2017/020095 A1 discloses a scalable architecture for a scalable architecture for a processing device for performing quantum processing. The architecture is based on an all-silicon CMOS manufacturing technology. Transistor based control circuits are used in conjunction with floating gates to operate a two-dimensional array of qubits. The qubits are defined by the spin states of a single electron that is enclosed in a quantum dot. A superordinate level is described here, ie how individual Qubits can be controlled electrically, for example via transistors etc., including qubit operation and readout. It is true that a “scalable architecture” is spoken of, but the array shown does not allow any real scaling, ie, among other things, integration of cryogenic electronics, since no space can be created between the qubits.
Die US 8,164,082 B2 beschreibt eine Spinbus-Quantencomputerarchitektur, einen Spinbus umfasst, der aus mehreren stark gekoppelten und immer auf Qubits basierenden Qubits besteht, die eine Kette von Spin-Qubits definieren. Eine Vielzahl von informationstragenden Qubits sind neben einem Qubit des Spinbusses angeordnet. Zu den informationstragenden Qubits und den Spinbus-Qubits werden Elektroden gebildet, um die Steuerung der Herstellung und Unterbrechung der Kopplung zwischen Qubits zu ermöglichen, um die Steuerung der Herstellung und Unterbrechung der Kopplung zwischen jedem informationstragenden Qubit und dem angrenzenden Spinbus-Qubit zu ermöglichen. Die Spin-Bus-Architektur ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Kopplung von Qubits über große Entfernungen. US Pat. No. 8,164,082 B2 describes a spin bus quantum computer architecture which comprises a spin bus which consists of several strongly coupled qubits which are always based on qubits and which define a chain of spin qubits. A large number of information-carrying qubits are arranged next to a qubit of the spin bus. Electrodes are formed around the information-carrying qubits and the spinbus qubits to enable control of the establishment and disruption of the coupling between qubits to enable control of the establishment and disruption of the coupling between each information-bearing qubit and the adjacent spinbus qubit. The spin-bus architecture enables qubits to be coupled quickly and reliably over long distances.
In der EP 3 016 035 Bl wird eine Verarbeitungsvorrichtung und Verfahren beschrieben, um diese zu betreiben, insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf eine Quantenverarbeitungsvorrichtung, die steuerbar ist, um adiabatische Quantenberechnungen durchzuführen. EP 3 016 035 B1 describes a processing device and method for operating it, in particular, but not exclusively, the invention relates to a quantum processing device which can be controlled in order to carry out adiabatic quantum calculations.
Ein Quantenprozessor weist dazu folgende Merkmale auf: eine Mehrzahl von Qubit- Elementen und eine Steuerstruktur, die eine Mehrzahl von Steuerbauteilen aufweist, wobei jedes Steuerbauteil angeordnet ist, um eine Mehrzahl von Qubit-Elementen zu steuern. Die Steuerstruktur ist steuerbar, um eine Quantenberechnung unter Verwendung der Qubit-Elemente durchzuführen, wobei ein Quantenzustand der Qubit- Elemente in dem Kern- oder Elektronenspin eines oder mehrerer Donatoratome codiert ist. Die Donatoratome sind in einer Ebene angeordnet, die in einer Halbleiterstruktur eingebettet ist. Dabei ist eine erste Menge von Donatoratomen so angeordnet, um Quanteninformationen in Bezug auf die Quantenberechnung zu codieren. Eine zweite Menge von Donatoratomen ist so angeordnet, dass sie eine elektromagnetische Kopplung zwischen einem oder mehreren der ersten Menge von Donatoratomen ermöglichen. Die Donatoratome der ersten Menge sind in einer zweidimensionalen Matrixanordnung angeordnet. Die Mehrzahl von Steuerbauteilen weist eine erste Menge länglicher Steuerbauteile auf, die in einer ersten Ebene oberhalb der Ebene angeordnet sind, die die Donatoratome enthalten. Eine zweite Menge länglicher Steuerbauteile sind vorgesehen, die in einer zweiten Ebene unterhalb der Ebene angeordnet sind, die die Donatoratome aufweisen. For this purpose, a quantum processor has the following features: a plurality of qubit elements and a control structure which has a plurality of control components, each control component being arranged to control a plurality of qubit elements. The control structure is controllable to perform a quantum calculation using the qubit elements, a quantum state of the qubit elements being encoded in the nuclear or electron spin of one or more donor atoms. The donor atoms are arranged in a plane that is embedded in a semiconductor structure. A first set of donor atoms is arranged to encode quantum information related to quantum computation. A second set of donor atoms is arranged to enable electromagnetic coupling between one or more of the first set of donor atoms. The donor atoms of the first set are arranged in a two-dimensional matrix arrangement. The plurality of control members include a first set of elongate control members disposed in a first plane above the plane containing the donor atoms. A second set of elongate control members are provided which are located in a second level below the level containing the donor atoms.
In der WO 2018/062991 Al werden durch physische Verbindung und Implementierung geeigneter Interaktionen zwischen physikalischen Qubits logische 0- und 1-Zustände in Multi-Qubit-Strukturen realisiert. Diese Strukturen werden logische Qubits genannt und sind hinsichtlich der Informationsspeicherung weniger fehleranfällig bzw. weniger anfällig auf äußere Einflüsse. Um Fehler grundsätzlich erkennen und korrigieren zu können, werden außerdem sog. ancillary qubits eingesetzt, welche nachfolgend Paritätsqubits genannt werden. Ein Qubit, dessen ordnungsgemäßer Zustand mithilfe eines Paritätsqubits ermittelt wird, wird nachfolgend Datenqubit genannt. In WO 2018/062991 A1, logical 0 and 1 states are implemented in multi-qubit structures through physical connection and implementation of suitable interactions between physical qubits. These structures are called logical qubits and are less prone to errors in terms of information storage or less prone to external influences. In order to be able to recognize and correct errors in principle, so-called ancillary qubits are also used, which are referred to below as parity qubits. A qubit whose correct state is determined using a parity qubit is referred to below as a data qubit.
Aus New Journal of Physics 14 (2012) 123011 sind Vorschriften, sog. ,surface codes', zur Implementierung von Algorithmen auf einem Quantencomputer bekannt, bei denen es sich um definierte Abläufe von Interaktionen auf einem zweidimensionalen Gitter von Daten- und Paritätsqubits handelt. Zur Implementierung von komplexen Algorithmen muss zudem die Interaktion zwischen Daten- und Paritätsqubits präzise kontrolliert und selektiv an- und abgeschaltet werden können. Dieses Verfahren wird ,lattice surgery' genannt und entspricht dem Einbau von Fehlstellen in einem Kristallgitter. From New Journal of Physics 14 (2012) 123011 regulations, so-called 'surface codes', for the implementation of algorithms on a quantum computer are known, which are defined sequences of interactions on a two-dimensional grid of data and parity qubits. To implement complex algorithms, the interaction between data and parity qubits must also be precisely controlled and selectively switched on and off. This procedure is called 'lattice surgery' and corresponds to the incorporation of defects in a crystal lattice.
Die DE 102019 202 661 Al beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion des Zustands eines Datenqubits mittels eines Paritätsqubits, wobei beide Arten von Qubits initial weit voneinander entfernt positioniert sind und zur Ermöglichung einer Interaktion bewegt und in Kontakt gebracht werden können, um die Fehlerrate eines Quantencomputers weiter zu reduzieren. DE 102019 202 661 A1 describes a method and a device for detecting the state of a data qubit by means of a parity qubit, with both types of qubits initially being positioned far apart and to enable one Interaction can be moved and brought into contact in order to further reduce the error rate of a quantum computer.
Zur Realisierung eines universellen Quantencomputers mit der Möglichkeit logische Schaltungen umsetzen zu können, muss eine Kopplung der Qubits über Distanzen von mindestens einigen Mikrometern ermöglicht werden, um insbesondere Platz für lokale Kontrollelektronik zu schaffen. Es müssen Strukturen und Strukturelemente vorgesehen sein, die es ermöglichen einen Quantenpunkt an verschiedene Ziele zu transportieren, um logische Schaltungen aufbauen zu können. Es gibt bereits Ansätze im Stand der Technik, bei denen ein- oder zweidimensionale Arrays aus separaten Quantenpunken gebaut wurden, durch die dann Elektronen transportiert werden können. Aufgrund der sehr großen Anzahl an benötigten Gatterelektroden und damit einzustellenden Spannungen ist mittels dieses Ansatzes eine Kopplung über mehrere Mikrometer nicht ohne bedeutenden Aufwand oder sogar gar nicht zu realisieren. In order to implement a universal quantum computer with the possibility of implementing logic circuits, the qubits must be coupled over distances of at least a few micrometers, in particular to create space for local control electronics. Structures and structural elements must be provided that enable a quantum dot to be transported to various destinations in order to be able to set up logic circuits. There are already approaches in the state of the art in which one or two-dimensional arrays were built from separate quantum dots through which electrons can then be transported. Due to the very large number of gate electrodes required and the voltages to be set with them, a coupling over several micrometers cannot be implemented without considerable effort or even not at all by means of this approach.
Während die Operationen an einzelnen Qubits bereits in zufriedenstellendem Maße kontrolliert und ausgewertet werden können, ist das Verschalten zu logischen Schaltungen von Qubits möglicherweise ein zentrales und ungelöstes Problem, um einen universellen Quantencomputer verwirklichen zu können. Es müssen definierbare quantenmechanische Zustände vorliegen, um eine Realisierung solcher logischen Schaltungen vornehmen zu können. While the operations on individual qubits can already be controlled and evaluated to a satisfactory extent, the interconnection of qubits to form logical circuits is possibly a central and unsolved problem in order to be able to realize a universal quantum computer. There must be definable quantum mechanical states in order to be able to implement such logical circuits.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und ein elektronisches Struktur-Bauelement zu schaffen, welches logische Schaltungen mit Quantenpunkten zu realisieren erlaubt. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das elektronische Struktur-Bauelement für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers der eingangs genannten Art gelöst, umfassend a) die logischen Verschaltungen Funktionsbauelemente mit Gatterelektrodenanordnungen zur Erzeugung von statischen und/oder bewegten Potentialmulden und/oder Potenzialbarrieren zum Verarbeiten von Quantenpunkten in dem Substrat aufweisen. The object of the invention is therefore to eliminate the disadvantages of the prior art and to create an electronic structural component which allows logic circuits to be implemented with quantum dots. According to the invention, the object is achieved by the electronic structural component for logical interconnections of qubits of a quantum computer of the type mentioned at the beginning, comprising a) the logical interconnections of functional components with gate electrode arrangements for generating static and / or moving potential wells and / or potential barriers for processing quantum dots in have the substrate.
Die Erfindung beruht grundsätzlich auf dem Prinzip, dass eine Struktur für Halbleiter vorgesehen ist, die eine logische Verarbeitung von Operationen mit Qubits ermöglicht. Diese Struktur benötigt Funktionselemente, welche die logischen Operationen durchführen. Mit der vorliegenden Erfindung werden Gatterelektrodenanordnungen so auf dem Halbleiter angeordnet, dass sie Funktionselemente bilden, mit denen solche logischen Operationen durchgeführt werden können. The invention is fundamentally based on the principle that a structure is provided for semiconductors which enables logical processing of operations with qubits. This structure requires functional elements that carry out the logical operations. With the present invention, gate electrode arrangements are arranged on the semiconductor in such a way that they form functional elements with which such logical operations can be carried out.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Struktur-Bauelements beruht auf dem Prinzip, dass mit einem Funktionselement ein quantenmechanischer Zustand bei einem Quantenpunkt eingestellt wird, der durch das Substrat über eine längere Distanz translatiert werden kann. An advantageous embodiment of the structural component according to the invention is based on the principle that a quantum mechanical state is set at a quantum dot with a functional element, which state can be translated over a longer distance by the substrate.
Vorzugsweise wird dazu der Quantenpunkt in der Potentialmulde, die durch die Gatterelektrodenanordnung in geeigneter Weise erzeugt wird, quasi gefangen. Die Potentialmulde bewegt sich dann kontinuierlich und gerichtet durch das Substrat hindurch und nimmt den Quantenpunkt mit seinem quantenmechanischen Zustand über die Distanz mit. Für die kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde werden die Elektrodenfinger der Gatterelektroden entsprechend verschaltet. Mit dem vorliegenden Funktionselement lässt sich somit ein quantenmechanischer Zustand eines Quantenpunktes über eine größere Distanz bewegen. For this purpose, the quantum dot is preferably quasi trapped in the potential well which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement. The potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance. For the continuous movement of the potential well, the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly. With the present functional element, a quantum mechanical state of a quantum dot can thus be moved over a greater distance.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des elektronischen Bauelements besteht eine Gatterelektrodenanordnung aus zwei parallelen Gatterelektroden, welche eine kanalartige Struktur bilden. Diese Maßnahme dient dazu, dass die Potentialmulde sich nur auf einer bestimmten Bahn in dem Substrat bewegen kann. In a preferred embodiment of the electronic component, a gate electrode arrangement consists of two parallel gate electrodes, which one Form channel-like structure. This measure serves to ensure that the potential well can only move on a certain path in the substrate.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines solchen elektronischen Bauelements enthält das Substrat Galliumarsenid (GaAs) und/oder Silizumgermanium (SiGe). Diese Materialien sind in der Lage ein zweidimensionales Elektronengas zu erzeugen, in welchem sich Quantenpunkte erzeugen und bewegen lassen. Bei Galliumaresnid werden die Quantenpunkte mit Elektronen besetzt. Bei Siliziumgermanium werden die Quantenpunkte mit Löchern, bei denen ein Elektron fehlt, besetzt. In an advantageous embodiment of such an electronic component, the substrate contains gallium arsenide (GaAs) and / or silicon germanium (SiGe). These materials are able to generate a two-dimensional electron gas in which quantum dots can be generated and moved. In the case of gallium aresnide, the quantum dots are occupied with electrons. In the case of silicon germanium, the quantum dots are filled with holes that are missing an electron.
Eine weitere bevorzugte Ausbildung des elektronischen Bauelements lässt sich damit erreichen, dass die jeweils zusammengeschalteten Gatterelektroden periodisch und/oder phasenverschoben mit Spannung beaufschlagbar ausgebildet sind. Diese Maßnahme ermöglicht es die Potentialmulde kontinuierlich durch das Substrat zu führen. Damit kann ein Quantenpunkt, der sich in der Potentialmulde befindet, mit der Potentialmulde durch das Substrat translatiert werden. Dabei verliert er nicht seinen ursprünglichen quantenmechanischen Zustand. A further preferred embodiment of the electronic component can be achieved in that the gate electrodes connected in each case are configured to be able to have voltage applied to them periodically and / or out of phase. This measure enables the potential well to be guided continuously through the substrate. A quantum dot located in the potential well can thus be translated with the potential well through the substrate. In doing so, it does not lose its original quantum mechanical state.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des elektronischen Bauelements besteht darin, dass jeweils mindestens jeder dritte Elektrodenfinger einer Gatterelektrode zusammengeschaltet ist. Damit soll gewährleistet sein, dass die Potentialmulde immer über wenigstens eine Periode gewährleistet ist, über welche die Potentialmulde bewegt wird. Nur so wird eine kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde mit dem Quantenpunkt ermöglicht. Grundsätzlich sind auch andere Kombinationen bei der Zusammenschaltung von Gatterelektroden möglich, solange eine Bewegung der Potentialmulde mit dem Quantenpunkt durchgeführt werden kann. Entsprechend ergibt sich eine vorteilhafte Ausgestaltung für das erfindungsgemäße Verfahren für ein elektronisches Bauteil dadurch, dass jeweils zumindest jede dritte Gatterelektrode zusammengeschaltet und periodisch mit Spannung beaufschlagt wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Struktur- Bauelements besteht darin, dass Mittel zum Verbinden zwei Qubits eines Quantencomputers vorgesehen sind. Die Zustände von Quantenpunkten über eine größere Distanz zu translatieren eignet sich besonders bei Quantencomputern. Hier gilt es Qubits miteinander zu verschalten. Daher muss das elektronische Bauelement Kontaktmöglichkeiten haben um wenigstens zwei Qubits zu verschalten, um die Quantenzustände der Quantenpunkte von einem Qubit zum anderen Qubit zu übergeben. A preferred embodiment of the electronic component consists in that at least every third electrode finger of a gate electrode is connected together. This is to ensure that the potential well is always guaranteed over at least one period over which the potential well is moved. This is the only way to enable continuous movement of the potential well with the quantum dot. In principle, other combinations are also possible when interconnecting gate electrodes, as long as the potential well can be moved with the quantum dot. Correspondingly, an advantageous embodiment for the method according to the invention for an electronic component results from the fact that in each case at least every third gate electrode is connected together and a voltage is periodically applied. A further advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention consists in the fact that means are provided for connecting two qubits of a quantum computer. Translating the states of quantum dots over a greater distance is particularly suitable for quantum computers. Here it is necessary to interconnect qubits with one another. The electronic component must therefore have contact options in order to interconnect at least two qubits in order to transfer the quantum states of the quantum dots from one qubit to the other qubit.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Struktur-Bauelements ist ein Funktionselement zum Abzweigen der Bewegung eines Quantenpunkts vorgesehen. In an advantageous embodiment of the structural component, a functional element is provided for branching off the movement of a quantum dot.
Mit einer solchen Kreuzung bzw. Abzweigung können Schaltungen mit Quantenpunkten realisiert werden, die zuvor nicht möglich waren. Durch ein solches elektronisches Bauelement lassen sich nun logische Schaltungen bei Quantencomputern aufbauen. Mit diesem Bauelement können Vernetzungen einer logischen Schaltungen vorgenommen werden. With such an intersection or branch, circuits with quantum dots can be implemented that were previously not possible. Such an electronic component can now be used to build logic circuits in quantum computers. This component can be used to network logic circuits.
Vorzugsweise umfasst das Funktionselement zum Abzweigen eine erste und eine zweite abzweigende Gatterelektrodenanordnung mit Gatterelektroden unterschiedlicher Richtung vorgesehen sind, wobei die Elektrodenfinger der Gatterelektroden periodisch alternierend zusammengeschaltet sind, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde durch das Substrat bewirken, wobei ein Quantenpunkt mit der Potentialmulde der ersten Gatterelektrodenanordnung in eine Richtung translatiert wird, und der Quantenpunkt aus ersten Potentialmulde der zweiten Potentialmulde der zweiten abzweigenden Gatterelektrodenanordnung mit geänderter Fortbewegungsrichtung bewegbar ist. Preferably, the functional element for branching comprises a first and a second branching gate electrode arrangement with gate electrodes in different directions, the electrode fingers of the gate electrodes being interconnected periodically in alternation, which cause an almost continuous movement of the potential well through the substrate, a quantum dot with the potential well of the first Gate electrode arrangement is translated in one direction, and the quantum dot is movable from the first potential well of the second potential well of the second branching gate electrode arrangement with a changed direction of movement.
Das Funktionselement beruht auf dem Prinzip, dass ein quantenmechanischer Zustand bei einem Quantenpunkt eingestellt wird, der durch das Substrat über eine längere Distanz translatiert werden kann. Dazu wird der Quantenpunkt in der Potentialmulde, die durch die Gatterelektrodenanordnung in geeigneter Weise erzeugt wird, quasi gefangen. Die Potentialmulde bewegt sich dann kontinuierlich und gerichtet durch das Substrat hindurch und nimmt den Quantenpunkt mit seinem quantenmechanischen Zustand über die Distanz mit. Für die kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde werden die Elektrodenfinger der Gatterelektroden entsprechend verschaltet. An der Abzweigung werden die Quantenpunkte an eine Potentialmulde einer abzweigenden Gatterelektrodenanordnung abgelenkt. Der Quantenpunkt muss dazu bewegt werden, in die andere bzw. neue Richtung überzugehen. Mit der vorliegenden Erfindung lässt sich somit ein quantenmechanischer Zustand eines Quantenpunktes über eine größere Distanz bewegen und verschalten. The functional element is based on the principle that a quantum mechanical state is set at a quantum dot that passes through the substrate over a longer period Distance can be translated. For this purpose, the quantum dot is quasi trapped in the potential well, which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement. The potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance. For the continuous movement of the potential well, the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly. At the junction, the quantum dots are deflected to a potential well of a branching gate electrode arrangement. The quantum dot has to be moved to move into the other or new direction. With the present invention, a quantum mechanical state of a quantum dot can thus be moved and interconnected over a greater distance.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines solchen erfindungsgemäßen elektronischen Struktur-Bauelements ist eine dritte Gatterelektrodenanordnung zum Erzeugen einer zuschaltbaren Potentialbarrieren-Anordnung im Bereich der Abzweigung vorgesehen, welche für die Übergabe des Quantenpunkts zugeschaltet wird. Diese Potenzialbarrieren- Anordnung verhindert, dass der Quantenpunkt eine andere Richtung einschlägt, als die, die durch die Abzweigung vorgegeben ist. Je nachdem, wie die Potenzialbarrieren- Anordnung geschaltet ist, wird der Quantenpunkt mit der Potenzialmulde in die eine oder die andere abzweigende Richtung gelenkt. Hierdurch lassen sich besonders auch komplexe Schaltungen mit Richtungswechsel realisieren. In an advantageous embodiment of such an electronic structural component according to the invention, a third gate electrode arrangement for generating a switchable potential barrier arrangement is provided in the area of the junction, which is switched on for the transfer of the quantum dot. This potential barrier arrangement prevents the quantum dot from taking a different direction than that given by the junction. Depending on how the potential barrier arrangement is connected, the quantum dot with the potential well is directed in one or the other branching direction. In this way, complex circuits with a change of direction can also be implemented.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des elektronischen Struktur-Bauelements wird dadurch erzielt, dass Mittel zur Synchronisation der Gatterelektrodenanordnungen zum Richtungswechsel des Quantenpunkts an der Abzweigung vorgesehen sind. Die Übergabe des Quantenpunkts an einer Abzweigung bedarf einer sehr genauen Abstimmung der Gatterelektroden, damit die Potentialmulde den Quantenpunkt auch tatsächlich übergibt. Die hier vorgestellte Maßnahme dient somit dazu, dass Mittel zum Steuern der Gatterelektroden vorgesehen sind, die die Gatterelektrodenanordnungen synchron miteinander verschaltet, sodass ein abgestimmter Richtungswechsel ermöglicht wird. In einer bevorzugten Ausgestaltung des elektronischen Struktur-Bauelements besteht eine Gatterelektrodenanordnung aus zwei parallelen Gatterelektroden, welche eine kanalartige Struktur bilden. Diese Maßnahme dient dazu, dass die Potentialmulde sich nur auf einer bestimmten Bahn in dem Substrat bewegen kann. A further advantageous embodiment of the electronic structural component is achieved in that means for synchronizing the gate electrode arrangements for changing the direction of the quantum dot are provided at the junction. The transfer of the quantum dot at a junction requires a very precise coordination of the gate electrodes so that the potential well actually transfers the quantum dot. The measure presented here is therefore used to provide means for controlling the gate electrodes which interconnect the gate electrode arrangements synchronously with one another, so that a coordinated change of direction is made possible. In a preferred embodiment of the electronic structural component, a gate electrode arrangement consists of two parallel gate electrodes which form a channel-like structure. This measure serves to ensure that the potential well can only move on a certain path in the substrate.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Struktur- Bauelements besteht darin, dass ein Funktionselement zum Manipulieren von Qubits in Quantenpunkten vorgesehen ist. Mit dem Funktionselement kann ein quantenmechanischer Zustand bei einem Quantenpunkt eingestellt werden. Der so definierbare quantenmechanische Zustand kann dann durch das Substrat über eine längere Distanz translatiert werden. A further advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention consists in that a functional element for manipulating qubits in quantum dots is provided. With the functional element, a quantum mechanical state can be set for a quantum dot. The quantum mechanical state that can be defined in this way can then be translated through the substrate over a longer distance.
Vorzugsweise weist das Funktionselement einen Manipulator auf, der in einer Manipulationszone das Qubitdes Quantenpunkts in einen definierbaren Quantenzustand versetzt, wobei die Manipulationszone in dem angrenzenden Bereich, der durch die erste und zweite Gatterelektrodenanordnung gebildet wird, vorgesehen ist. Grundsätzlich werden Qubits durch Elektronen-Spins realisiert. Das Funktionselement macht sich zudem zu nutzen, dass ein quantenmechanischer Zustand bei einem Quantenpunkt durch den Manipulator in der Manipulationszone eingestellt wird. Der so definierbare quantenmechanische Zustand kann durch das Substrat über eine längere Distanz translatiert werden. Dazu wird der Quantenpunkt in der Potentialmulde, die durch die Gatterelektrodenanordnung in geeigneter Weise erzeugt wird, quasi gefangen. Die Potentialmulde bewegt sich dann kontinuierlich und gerichtet durch das Substrat hindurch und nimmt den Quantenpunkt mit seinem quantenmechanischen Zustand über die Distanz mit. Für die kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde werden die Elektrodenfinger der Gatterelektroden entsprechend verschaltet. Über die bewegbaren Potentialmulden wird ein Quantenpunkt zu der statischen Potentialmulde in die Manipulationszone transportiert. The functional element preferably has a manipulator which puts the qubit of the quantum dot in a definable quantum state in a manipulation zone, the manipulation zone being provided in the adjoining area formed by the first and second gate electrode arrangements. Basically, qubits are realized through electron spins. The functional element also makes use of the fact that a quantum mechanical state is set for a quantum dot by the manipulator in the manipulation zone. The quantum mechanical state that can be defined in this way can be translated over a longer distance by the substrate. For this purpose, the quantum dot is quasi trapped in the potential well, which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement. The potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance. For the continuous movement of the potential well, the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly. A quantum dot is transported via the movable potential wells to the static potential well in the manipulation zone.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements umfasst der Manipulator Mittel für ein zuschaltbares Magnetfeld im Bereich der Manipulationszone zur Manipulation des Qubits. Das Magnetfeld dient dazu, die elektronischen Zustände in Bezug auf den Spin aufzuspalten. Diese neuen Eigenzustände dienen somit als Basis, um ein logisches Qubit zu formen. In an advantageous embodiment of the electronic component according to the invention, the manipulator comprises means for a switchable magnetic field in the Area of the manipulation zone for manipulating the qubit. The magnetic field is used to split the electronic states in relation to the spin. These new eigenstates thus serve as the basis for forming a logical qubit.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen elektronischen Struktur-Bauelements enthält der Manipulator Mittel zur Erzeugung eines oszillierenden Magnetfelds bzw. eines Gradientenmagnetfelds in der Manipulationszone. Ein Elektron befindet sich in einem in-plane Magnetfeldgradienten, wobei der Magnetfeldgradient dazu genutzt wird, um kontrolliert zwischen den nach dem Spin aufgespaltenen Eigenzuständen umschalten zu können. In a further advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention, the manipulator contains means for generating an oscillating magnetic field or a gradient magnetic field in the manipulation zone. An electron is located in an in-plane magnetic field gradient, the magnetic field gradient being used to switch between the eigenstates split up after the spin in a controlled manner.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Struktur- Bauelements besteht darin, dass der Manipulator einen Mikrowellengenerator enthält, der Mikrowellen in die Manipulationszone zur Manipulation des Quantenpunkts einstrahlt. Diese Maßnahme dient dazu, dass ein Quantenpunkt in der Manipulationszone so lange bewegt werden kann, bis sich ein gewünschter Quantenzustand eingestellt hat. Über eine Gatterelektrode werden beispielsweise Mikrowellen angestrahlt. Diese Mikrowellen verzerren das Potenzial in kontrollierter Weise, sodass ein Elektron kontrolliert in dem Magnetfeld zu oszillieren beginnt. Spin- Bahn-Kopplung bewirkt nun, dass zwischen den beiden Spin-Zuständen umgeschaltet werden kann. A preferred embodiment of the electronic structural component according to the invention consists in that the manipulator contains a microwave generator which radiates microwaves into the manipulation zone in order to manipulate the quantum dot. This measure is used to ensure that a quantum dot can be moved in the manipulation zone until a desired quantum state has been established. Microwaves, for example, are irradiated via a gate electrode. These microwaves distort the potential in a controlled manner, so that an electron begins to oscillate in the magnetic field in a controlled manner. Spin-orbit coupling now makes it possible to switch between the two spin states.
Eine besondere Variante des erfindungsgemäßen elektronischen Struktur-Bauelements besteht ferner darin, dass der Manipulator eine dritte Gatterelektrodenanordnung mit Gatterelektroden zum Translatieren eines Quantenpunkts mittels Potentialmulde umfasst, welche an einer Fläche des elektronischen Struktur-Bauelements und an die Manipulationszone angrenzend angeordnet ist. Hierdurch können zwei Quantenpunkte gleichzeitig zur Manipulationszone translatiert werden. A special variant of the electronic structural component according to the invention also consists in that the manipulator comprises a third gate electrode arrangement with gate electrodes for translating a quantum dot by means of a potential well, which is arranged on a surface of the electronic structural component and adjacent to the manipulation zone. As a result, two quantum dots can be translated into the manipulation zone at the same time.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Struktur- Bauelements besteht darin, dass ein Funktionselement zum Auslesen des Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt vorgesehen ist. Diese Maßnahme dient dazu Quantenmechanische Zustände bei Operationen für die logische Verschaltung auslesen zu können. Another advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention is that a functional element for reading out the Quantum state of a qubit is provided in a quantum dot. This measure is used to be able to read out quantum mechanical states during operations for the logical interconnection.
Vorzugsweise weist die Gatterelektroden der Gatterelektrodenanordnungen parallel verlaufende Elektrodenfinger auf, wobei bei einer ersten Gatterelektrodenanordnung die Elektrodenfinger periodisch alternierend zusammengeschaltet sind, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde durch das Substrat bewirkt, wobei ein erster Quantenpunkt mit dieser Potentialmulde translatiert wird, und die Elektrodenfinger einer zweiten Gatterelektrodenanordnung eine statische Potentialmulde bilden, in der ein zweiter Ladungsträger mit bekanntem quantenmechanischem Zustand vorgesehen ist. Ein Sensorelement zum Detektieren von Änderungen der Ladung ist vorgesehen, welches die Ladung in der statischen Potentialmulde erfasst, wobei der erste Quantenpunkt zum zweiten Quantenpunkt translatiert wird. Das Funktionselement beruht grundsätzlich auf dem physikalischen Pauli-Prinzip, dass ein elektronisches Niveau niemals mit Elektronen gleichen Spins besetzt werden können. Mittels der Gatterelektroden wird zum einen eine statischen Potentialmulde erzeugt und zum anderen eine bewegliche Potentialmulde. In die statische Potentialmulde wird ein Quantenpunkt eingebracht, von dem der quantenmechanische Zustand auf einem Niveau - bei einem Elektron der Spin -bekannt ist. Mittels der beweglichen Potentialmulde wird ein weiterer Quantenpunkt an die statische Potentialmulde in demselben Niveau herangeführt. Sind die quantenmechanischen Zustände unterschiedlich, so wird nun das Niveau aufgefüllt. Das Sensorelement detektiert in dem Fall eine geänderte Ladung auf diesem Niveau. Sind die quantenmechanischen Zustände der Quantenpunkte gleich, dann kann das Niveau nicht noch einen Quantenpunkt aufnehmen. Der quantenmechanische Zustand ändert sich auf diesem Niveau somit nicht. Dadurch kann ermittelt werden, welchen quantenmechanischen Zustand der herangeführte Quantenpunkt aufweist. The gate electrodes of the gate electrode arrangements preferably have parallel electrode fingers, with the electrode fingers being interconnected periodically alternating in a first gate electrode arrangement, which causes an almost continuous movement of the potential well through the substrate, a first quantum dot being translated with this potential well, and the electrode fingers of a second Gate electrode arrangement form a static potential well in which a second charge carrier with a known quantum mechanical state is provided. A sensor element for detecting changes in the charge is provided which detects the charge in the static potential well, the first quantum dot being translated to the second quantum dot. The functional element is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be filled with electrons with the same spin. By means of the gate electrodes, a static potential well is generated on the one hand and a movable potential well on the other hand. A quantum dot is introduced into the static potential well, the quantum mechanical state of which is known at one level - the spin of an electron. By means of the movable potential well, another quantum point is brought up to the static potential well at the same level. If the quantum mechanical states are different, the level is now filled. In this case, the sensor element detects a changed charge at this level. If the quantum mechanical states of the quantum dots are the same, then the level cannot absorb another quantum dot. The quantum mechanical state does not change at this level. This makes it possible to determine which quantum mechanical state the introduced quantum dot has.
Um den Quantenpunkt mit der beweglichen Potentialmulde an die statische Potentialmulde heranzuführen, muss der Quantenpunkt durch das Substrat über eine längere Distanz translatiert werden können, ohne dass sich der quantenmechanische Zustand ändert. Dazu wird der Quantenpunkt in der Potentialmulde, die durch die Gatterelektrodenanordnung in geeigneter Weise erzeugt wird, quasi gefangen. Die Potentialmulde bewegt sich dann kontinuierlich und gerichtet durch das Substrat hindurch und nimmt den Quantenpunkt mit seinem quantenmechanischen Zustand über die Distanz mit. Für die kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde werden die Elektrodenfinger der Gatterelektroden entsprechend verschaltet. In order to bring the quantum dot with the movable potential well to the static potential well, the quantum dot has to pass through the substrate via a Longer distances can be translated without changing the quantum mechanical state. For this purpose, the quantum dot is quasi trapped in the potential well, which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement. The potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance. For the continuous movement of the potential well, the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Struktur- Bauelements ist ein Magnetfeldgenerator zur Erzeugung eines Gradientenmagnetfelds zur Initialisierung des quantenmechanischen Zustands des Quantenpunkts der statischen Potentialmulde vorgesehen. Beispielsweise mit einem Mikromagneten lässt sich ein Gradientenmagnetfeld oder ein oszillierendes Magnetfeld erzeugen. Diese Magnetfelder bewegen den Quantenpunkt in einen gewünschten quantenmechanischen Zustand. Damit lässt sich das elektronische Struktur-Bauelement initialisieren, um es dann mit dem herangeführten Quantenpunkt auf demselben Niveau wechselwirken zu lassen. In an advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention, a magnetic field generator is provided for generating a gradient magnetic field for initializing the quantum mechanical state of the quantum dot of the static potential well. A gradient magnetic field or an oscillating magnetic field can be generated with a micro-magnet, for example. These magnetic fields move the quantum dot into a desired quantum mechanical state. This allows the electronic structural component to be initialized in order to then interact with the quantum dot introduced at the same level.
In einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauteils ist eine zweite Gatterelektrodenanordnung zwei Gatterelektroden umfasst, die gemeinsam eine statische Doppelpotentialmulde ausbilden, wobei jede der statischen Potentialmulden jeweils einen Quantenpunkt mit unterschiedlichen quantenmechanischen Zuständen aufweist. Dabei werden die Potentialmulden jeweils mit bekannten quantenmechanischen Zuständen -im Fall von Elektronen sind es Spins -besetzt. Hierbei tauscht der Ladungsträger eines der Quantenpunkte, welche in der Doppelpotentialmulde gehalten werden, mit dem Ladungsträger des bewegten Quantenpunkts. Dadurch erhält der bewegte Quantenpunkt immer einen definierten quantenmechanischen Zustand, da die quantenmechanischen Zustände der Quantenpunkte in der Doppelpotentialmulde bekannt sind. Das Sensorelement kann nun an der statischen Doppelpotentialmulde überprüfen, ob es einen Ladungswechsel gegeben hat. Daraus lässt sich schließen, was für einen quantenmechanischen Zustand der herangeführte Quantenpunkt hatte. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Struktur- Bauelements besteht darin, dass ein Funktionselement zum Initialisieren des Quantenzustands eines Quantenpunkts vorgesehen ist. In a preferred embodiment of the electronic component according to the invention, a second gate electrode arrangement comprises two gate electrodes which together form a static double potential well, each of the static potential wells having a quantum dot with different quantum mechanical states. The potential wells are each occupied with known quantum mechanical states - in the case of electrons, they are spins. Here the charge carrier exchanges one of the quantum dots, which are held in the double potential well, with the charge carrier of the moving quantum dot. As a result, the moving quantum dot always receives a defined quantum mechanical state, since the quantum mechanical states of the quantum dots in the double potential well are known. The sensor element can now use the static double potential well to check whether there has been a charge change. From this it can be concluded what kind of quantum mechanical state the introduced quantum dot had. A further advantageous embodiment of the electronic structural component according to the invention consists in that a functional element is provided for initializing the quantum state of a quantum dot.
Vorzugsweise umfasst das Funktionselement zum Initialisieren des Quantenzustands eines Quantenpunkts ein Reservoir, welches als Spender für Ladungsträger vorgesehen ist. Die Gatterelektroden der Gatterelektrodenanordnungen weisen parallel verlaufende Elektrodenfinger auf, wobei die Gatterelektroden einer ersten Gatterelektrodenanordnungen in dem Substrat eine statische Doppelpotentialmulde oder die Gatterelektroden einer ersten Gatterelektrodenanordnungen in dem Substrat eine statische Potentialmulde bilden, in der Ladungsträger aus dem Reservoir in die Quantenpunkte eingebracht sind. Die Gatterelektroden einer zweiten Gatterelektrodenanordnungen bilden eine in dem Substrat bewegbare Potentialmulde, wobei ein Ladungsträger mit seinem quantenmechanischen Zustand mit dieser Potentialmulde translatierbar ist. Es sind Mittel zum Übertragen von zwei Ladungsträgern aus dem Reservoir in die statische Potentialmulde vorgesehen. Ferner ist ein Stimulator zur Ausrichtung bzw. Aufspaltung der Quantenpunkte vorgesehen. Weiterhin sind Mittel zum Übertragen eines Ladungsträgers aus der statischen Potentialmulde in die bewegbare Potentialmulde vorgesehen. Das Funktionselement zum Initialisieren des Quantenzustands eines Quantenpunkts beruht grundsätzlich auf dem physikalischen Pauli-Prinzip, dass ein elektronisches Niveau niemals mit Elektronen gleichen Spins besetzt werden können. Mittels der Gatterelektroden wird nun zum einen eine statischen Potentialmulde erzeugt und zum anderen eine bewegliche Potentialmulde. In die statische Potentialmulde wird aus dem Reservoir ein Paar Ladungsträger eines Energieniveaus eingebracht. Das Paar Ladungsträger wird anschließend aufgespalten. Dabei wird der eine Quantenpunkt in die bewegliche Potentialmulde übertragen. Mit dem Stimulator wird der quantenmechanische Zustand der Quantenpunkte auf dem Niveau - bei einem Elektron der Spin - definiert ausgerichtet. Der Quantenpunkt in der beweglichen Potentialmulde kann nun mit dem bekannten quantenmechanischen Zustand, beispielsweise als initialisiertes Qubit, mit der beweglichen Potentialmulde abtransportiert werden. Um den Quantenpunkt mit der beweglichen Potentialmulde an die statische Potentialmulde heranzuführen, muss der Quantenpunkt durch das Substrat über eine längere Distanz translatiert werden können, ohne dass sich der quantenmechanische Zustand ändert. Dazu wird der Quantenpunkt in der Potentialmulde, die durch die Gatterelektrodenanordnung in geeigneter Weise erzeugt wird, quasi gefangen. Die Potentialmulde bewegt sich dann kontinuierlich und gerichtet durch das Substrat hindurch und nimmt den Quantenpunkt mit seinem quantenmechanischen Zustand über die Distanz mit. Für die kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde werden die Elektrodenfinger der Gatterelektroden entsprechend verschaltet. The functional element for initializing the quantum state of a quantum dot preferably comprises a reservoir which is provided as a dispenser for charge carriers. The gate electrodes of the gate electrode arrangements have parallel electrode fingers, the gate electrodes of a first gate electrode arrangement forming a static double potential well in the substrate or the gate electrodes of a first gate electrode arrangement forming a static potential well in the substrate, in which charge carriers from the reservoir are introduced into the quantum dots. The gate electrodes of a second gate electrode arrangement form a potential well that can be moved in the substrate, a charge carrier with its quantum mechanical state being translatable with this potential well. Means are provided for transferring two charge carriers from the reservoir into the static potential well. A stimulator is also provided for aligning or splitting the quantum dots. Means for transferring a charge carrier from the static potential well into the movable potential well are also provided. The functional element for initializing the quantum state of a quantum dot is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be filled with electrons with the same spin. By means of the gate electrodes, on the one hand, a static potential trough is generated and, on the other hand, a movable potential trough. A pair of charge carriers of one energy level is introduced into the static potential well from the reservoir. The pair of charge carriers is then split up. One of the quantum dots is transferred to the moving potential well. With the stimulator, the quantum mechanical state of the quantum dots is aligned in a defined manner on the level - with an electron the spin. The quantum dot in the movable potential well can now be transported away with the known quantum mechanical state, for example as an initialized qubit, with the movable potential well. In order to bring the quantum dot with the movable potential well to the static potential well, the quantum dot must be able to be translated through the substrate over a longer distance without the quantum mechanical state changing. For this purpose, the quantum dot is quasi trapped in the potential well, which is generated in a suitable manner by the gate electrode arrangement. The potential well then moves continuously and directed through the substrate and takes the quantum dot with its quantum mechanical state with it over the distance. For the continuous movement of the potential well, the electrode fingers of the gate electrodes are connected accordingly.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements besteht darin, dass der Stimulator als Magnet ausgebildet ist, der ein Gradientenmagnetfeld zur Initialisierung der Quantenpunkte in der statischen Potentialmulde erzeugt. Je nach Ausrichtung des Magnetfelds werden die Quantenpunkte eines Energieniveaus definiert ausgerichtet. Bei den oft kleinen Strukturen dieses Bauelements lassen sich bevorzugt Mikromagneten verwenden, die in dem Halbleiterbauelement gut integrierbar sind. Das Gradientenmagnetfeld dient somit zur Initialisierung der Quantenpunkte in der statischen Potentialmulde. Ein oszillierendes Magnetfeld kann ebenfalls als Gradientenmagnetfeld verwendet werden. Dieses Gradientenmagnetfeld bewegt den Quantenpunkt in einen gewünschten quantenmechanischen Zustand. Damit lässt sich das elektronische Bauelement initialisieren, um es dann mit dem herangeführten Quantenpunkt auf demselben Niveau wechselwirken zu lassen. An advantageous embodiment of the electronic component according to the invention is that the stimulator is designed as a magnet which generates a gradient magnetic field for initializing the quantum dots in the static potential well. Depending on the alignment of the magnetic field, the quantum dots of an energy level are aligned in a defined manner. With the often small structures of this component, micro-magnets can preferably be used, which can be easily integrated into the semiconductor component. The gradient magnetic field thus serves to initialize the quantum dots in the static potential well. An oscillating magnetic field can also be used as the gradient magnetic field. This gradient magnetic field moves the quantum dot into a desired quantum mechanical state. This allows the electronic component to be initialized so that it can then interact with the introduced quantum dot at the same level.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements bilden die Gatterelektroden der ersten Gatterelektrode eine statische Doppelpotentialmulde aus, wobei Mittel zur Translation eines Quantenpunkts von der einen statischen Potentialmulde in die nächste statische Potentialmulde der statischen Doppelpotentialmulde vorgesehen sind. Dadurch weist jede der statischen Potentialmulden jeweils einen Quantenpunkt mit unterschiedlichen quantenmechanischen Zuständen desselben Niveaus auf. Die definierte Ausrichtung der Zustände wird dabei wiederum durch den Stimulator festgelegt. Dabei werden die Potentialmulden jeweils mit bekannten quantenmechanischen Zuständen - im Fall von Elektronen sind es Spins - besetzt. Durch Austausch eines der Quantenpunkte mit dem Quantenpunkt der bewegten Potentialmulde, welche in der Doppelpotentialmulde gehalten werden, mit dem bewegten Quantenpunkt. Dadurch erhält der bewegte Quantenpunkt einen definierten quantenmechanischen Zustand. In a further advantageous embodiment of the electronic component according to the invention, the gate electrodes of the first gate electrode form a static double potential well, means for translating a quantum dot from one static potential well into the next static potential well of the static double potential well. As a result, each of the static potential wells has a quantum dot with different quantum mechanical states of the same level. The defined alignment of the States are in turn determined by the stimulator. The potential wells are each occupied with known quantum mechanical states - in the case of electrons, they are spins. By exchanging one of the quantum dots with the quantum dots of the moving potential well, which are held in the double potential well, with the moving quantum dot. This gives the moving quantum dot a defined quantum mechanical state.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich aus dem Gegenstand der Unteransprüche sowie den Zeichnungen mit den dazugehörigen Beschreibungen. Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die Erfindung soll nicht alleine auf diese aufgeführten Ausführungsbeispiele beschränkt werden. Die vorliegende Erfindung soll sich auf alle Gegenstände beziehen, die jetzt und zukünftig der Fachmann als naheliegend zur Realisierung der Erfindung heranziehen würde. Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die derzeit besten möglichen Ausführungsarten der Offenbarung. Sie dienen lediglich zur näheren Erläuterung der Erfindung. Die Beschreibung ist daher nicht in einem einschränkenden Sinn zu verstehen, sondern dient lediglich der Veranschaulichung der allgemeinen Prinzipien der Erfindung, da der Umfang der Erfindung am besten durch die beigefügten Ansprüche definiert wird. Dabei gilt der zitierte Stand der Technik als Teil der zur Erfindung gehörigen Offenbarung. Further refinements and advantages emerge from the subject matter of the subclaims and the drawings with the associated descriptions. Exemplary embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. The invention is not intended to be restricted solely to these exemplary embodiments listed. The present invention is intended to relate to all subjects which a person skilled in the art would now and in the future use as obvious for realizing the invention. The following detailed description is of the best mode currently practicing the disclosure. They only serve to explain the invention in more detail. Therefore, the description is not to be taken in a limiting sense, but is merely intended to illustrate the general principles of the invention, as the scope of the invention is best defined by the appended claims. The cited prior art is considered part of the disclosure pertaining to the invention.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Fig. 1 zeigt in schematischer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Struktur-Bauelement für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers. 1 shows, in a schematic plan view, an exemplary embodiment of an electronic structural component according to the invention for logical interconnections of qubits of a quantum computer.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt gemäß Fig. 1. Fig. 3 zeigt in schematischer Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements, welches eine Abzweigung aufweist. FIG. 2 shows a detail according to FIG. 1. 3 shows a schematic top view of a first exemplary embodiment of an electronic component according to the invention, which has a junction.
Fig. 4 zeigt einen Schnitt der Abzweigung gemäß Fig. 11 und den Verlauf derFig. 4 shows a section of the junction according to FIG. 11 and the course of the
Bewegung eines Quantenpunkts bei der Abzweigung. Movement of a quantum dot at the junction.
Fig. 5 zeigt in schematischer Draufsicht ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements in einem Ausschnitt mit einer Gatteranordnung zur Manipulation des Quantenzustands eines Quantenpunkts bzw. Ladungsträgers. 5 shows a schematic top view of an exemplary embodiment of an electronic component according to the invention in a section with a gate arrangement for manipulating the quantum state of a quantum dot or charge carrier.
Fig. 6 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf einer Manipulation in der Manipulationszone einer Variante mit beidseitig vorgesehenen Gatterelektrodenanordnungen für zwei bewegliche Potentialmulden für Einzel-Qubit-Operationen. FIG. 6 shows in a schematic basic sketch the sequence of a manipulation in the manipulation zone of a variant with gate electrode arrangements provided on both sides for two movable potential wells for single qubit operations.
Fig. 7 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf einer Manipulation in der Manipulationszone einer Variante mit einseitig vorgesehener Gatterelektrodenanordnungen für eine bewegliche Potentialmulde für Einzel-Qubit-Operationen. FIG. 7 shows, in a schematic principle sketch, the sequence of a manipulation in the manipulation zone of a variant with gate electrode arrangements provided on one side for a movable potential well for single qubit operations.
Fig. 8 Zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf einer Manipulation in der Manipulationszone einer Variante für Zwei-Qubit-Operationen. 8 shows, in a schematic basic sketch, the sequence of a manipulation in the manipulation zone of a variant for two-qubit operations.
Fig. 9 zeigt in schematischer Draufsicht das elektronische Bauelement zumFig. 9 shows a schematic plan view of the electronic component for
Auslesen des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischen Potentialmulde. Reading out the quantum state of a quantum dot with a static potential well.
Fig. 10 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements zum Auslesen des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischenFig. 10 shows in a schematic sketch of the principle of the sequence of an electronic component according to the invention for reading out the Quantum state of a quantum dot with a static one
Potentialmulde. Potential well.
Fig. 11 zeigt in schematischer Draufsicht das elektronische Bauelement zum Auslesen des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischen Doppelpotentialmulde. 11 shows, in a schematic plan view, the electronic component for reading out the quantum state of a quantum dot with a static double potential well.
Fig. 12 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf eines erfindungsgemäßen elektronischen Bauelements zum Auslesen des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischenFIG. 12 shows, in a schematic principle sketch, the sequence of an electronic component according to the invention for reading out the quantum state of a quantum dot with a static one
Doppelpotentialmulde. Double potential well.
Fig. 13 zeigt in schematischer Draufsicht das elektronische Bauelement zum Initialisieren des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischen Doppelpotentialmulde. 13 shows, in a schematic plan view, the electronic component for initializing the quantum state of a quantum dot with a static double potential well.
Fig. 14 zeigt im Schnitt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßenFig. 14 shows in section a schematic diagram of an inventive
Ausführungsbeispiels eines elektronischen Bauelements mit einerEmbodiment of an electronic component with a
Doppelpotentialmulde zum Initialisieren und Auslesen eines Qubits. Double potential well for initializing and reading out a qubit.
Fig. 15 zeigt im Schnitt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßenFig. 15 shows in section a schematic diagram of an inventive
Ausführungsbeispiels eines elektronischen Bauelements mit einerEmbodiment of an electronic component with a
Doppelpotentialmulde zum Initialisieren eines Qubits. Double potential well for initializing a qubit.
Fig. 16 zeigt in schematischer Draufsicht das elektronische Bauelement zum Initialisieren des Quantenzustands eines Quantenpunkts mit einer statischen Potentialmulde. 16 shows, in a schematic plan view, the electronic component for initializing the quantum state of a quantum dot with a static potential well.
Fig. 17 zeigt im Schnitt eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßenFig. 17 shows in section a schematic diagram of an inventive
Ausführungsbeispiels eines elektronischen Bauelements mit einerEmbodiment of an electronic component with a
Potentialmulde zum Initialisieren eines Qubits. Bevorzugtes Ausführungsbeispiel Potential well for initializing a qubit. Preferred embodiment
In Fig. 1 wird ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektronisches Struktur Bauelement 10 gezeigt, das aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Als Substrat 12 für das elektronische Struktur-Bauelement 10 wird Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 10 ist so ausgestaltete, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf einer Fläche 14 des Substrats 12 sind Funktionselemente 16, 18, 20, 22, 24 vorgesehen. Das elektronische Struktur- Bauelement 10 besteht aus wenigstens einer Einheitszelle 26. 1 shows an exemplary embodiment of an electronic structure component 10 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure. Silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 12 for the electronic structural component 10. The electronic component 10 is designed in such a way that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG). Functional elements 16, 18, 20, 22, 24 are provided on a surface 14 of the substrate 12. The electronic structural component 10 consists of at least one unit cell 26.
Die Einheitszelle 26 besteht aus den verschiedenen Funktionselementen 16, 18, 20, 22, 24. Das Funktionselement 16 umfasst eine Transportfunktion, zum Bewegen eines Quantenpunkts in dem Substrat. Das Funktionselement 18 dient zur Abzweigung, damit Abzweigungen 28 in einer logischen Schaltung ermöglicht werden können. Das Funktionselement 20 ist zum Manipulieren von Qubits in Quantenpunkten vorgesehen. Das Funktionselement 20 kann einen quantenmechanischen Zustand bei einem Quantenpunkt einstellen. Der so definierbare quantenmechanischen Zustand kann dann durch das Substrat 12 mit dem Funktionselement 16 oder 18 über eine längere Distanz in der Struktur des elektronischen Struktur-Bauelements 10 translatiert werden. Für logische Operationen ist einerseits das Besetzen und andererseits das Auslesen von quantenmechanischen Zuständen erforderlich. Das Funktionselement 22 dient dazu, quantenmechanische Zustände festzulegen. Hierfür manipuliert es ein Qubit in seinem Quantenpunkt. Mit diesem Funktionselement 22 kann der Quantenzustand eines Quantenpunkts festgelegt werden. Entsprechend dient das Funktionselement 24 zum Auslesen des Quantenpunkts. Das Funktionselement 24 dient zum Initialisieren des Quantenzustands eines Quantenpunkts. The unit cell 26 consists of the various functional elements 16, 18, 20, 22, 24. The functional element 16 comprises a transport function for moving a quantum dot in the substrate. The functional element 18 is used for branching, so that branches 28 can be made possible in a logic circuit. The functional element 20 is provided for manipulating qubits in quantum dots. The functional element 20 can set a quantum mechanical state at a quantum dot. The quantum mechanical state that can be defined in this way can then be translated by the substrate 12 with the functional element 16 or 18 over a longer distance in the structure of the electronic structural component 10. For logical operations, on the one hand, the occupation and, on the other hand, the reading of quantum mechanical states is necessary. The functional element 22 is used to establish quantum mechanical states. To do this, it manipulates a qubit in its quantum dot. With this functional element 22, the quantum state of a quantum dot can be established. Accordingly, the functional element 24 is used to read out the quantum dot. The functional element 24 serves to initialize the quantum state of a quantum dot.
Mit diesen Einheitszellen 26 lassen sich ganze Strukturen eines elektronischen Bauelements 10 für logische Schaltungen eines Quantencomputers entwerfen. Fig. 2 zeigt die Einheitszelle 26. Die Einheitszelle 26 umfasst das Funktionselement 16 für die Bewegung eines Quantenpunkts, das Funktionselement 18 für die Abzweigung, das Funktionselement 24 für die Manipulation eines Qubits, das Funktionselement 24 zum Auslesen eines Qubits und das Funktionselement 26 für das Funktionselement 26 für die Initialisierung. With these unit cells 26, entire structures of an electronic component 10 for logic circuits of a quantum computer can be designed. 2 shows the unit cell 26. The unit cell 26 comprises the functional element 16 for the movement of a quantum dot, the functional element 18 for the branch, the functional element 24 for manipulating a qubit, the functional element 24 for reading out a qubit and the functional element 26 for the Function element 26 for the initialization.
In Fig. 3 wird ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement 110 dargestellt, welches aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 112 für das elektronische Bauelement 110 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 110 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf einer Fläche 114 des Substrats 112 sind Gatterelektrodenanordnungen 116, 118, 120 vorgesehen. In FIG. 3, an exemplary embodiment for an electronic component 110 according to the invention is shown, which is formed from a semiconductor heterostructure. The structures of the component are preferably in a nanoscale dimension. Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 112 for the electronic component 110. The electronic component 110 is configured such that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG). Gate electrode assemblies 116, 118, 120 are provided on a surface 114 of the substrate 112.
Die Gatterelektrodenanordnungen 116, 118 weisen jeweils zwei Gatterelektroden 122, 124, 126, 128 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 122, 124, 126, 128 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 130 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektrodenanordnungen 116, 118, 120 sind dazu schichtweise aufgebaut, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 122, 124, 126, 128 jeweils die Isolierschicht 124 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 122, 124, 126, 128 umfassen weiterhin Elektrodenfinger 132, 134, 136, 138, wobei die einer Gatterelektrode 122, 124, 126, 128 jeweils parallel zueinander auf der Fläche 114 des Substrats 112 angeordnet sind. The gate electrode arrangements 116, 118 each have two gate electrodes 122, 124, 126, 128. The individual gate electrodes 122, 124, 126, 128 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 130 in a suitable manner. For this purpose, the gate electrode arrangements 116, 118, 120 are constructed in layers, with the insulating layer 124 being provided between each gate electrode 122, 124, 126, 128. The gate electrodes 122, 124, 126, 128 furthermore include electrode fingers 132, 134, 136, 138, with those of a gate electrode 122, 124, 126, 128 each being arranged parallel to one another on the surface 114 of the substrate 112.
Die Gatterelektrodenanordnungen 116, 118, 120 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 122, 124, 126, 128 der Gatterelektrodenanordnungen 116, 118 wird eine Potentialmulde in dem Substrat 112 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde gefangener Quantenpunkt lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 132, 134, 136, 138 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt, der in einer solchen Potentialmulde quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 112 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. The gate electrode arrangements 116, 118, 120 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 122, 124, 126, 128 of the gate electrode arrangements 116, 118, a potential well is generated in the substrate 112. A quantum dot trapped in this potential well can thus be translated through the substrate. The potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 132, 134, 136, 138 with sinusoidal voltages. The quantum dot, which is trapped in such a potential well, can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the substrate 112 made of SiGe without experiencing a quantum mechanical change of state.
Die Gatterelektrodenanordnung 118 zweigt von der Gatterelektrodenanordnung 116 in einem Kreuzungsbereich 140 ab. In dem Kreuzungsbereich 140 ist die Gatterelektrodenanordnung 120 angeordnet. Die Gatterelektrodenanordnung 120 enthält im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Barriere-Gatterelektroden 142, 144. Diese Barriere-Gatterelektroden 142, 144 können zugeschaltet werden, wenn sich die bewegte Potentialmulde mit dem Quantenpunkt in dem Kreuzungsbereich 140 befindet. Durch das Zuschalten der Barriere-Gatterelektroden 142, 144 wird die Potentialmulde mit dem Quantenpunkt in dem Kreuzungsbereich 140 festgehalten. Eine Pump- Gatterelektrode 146 der Gatterelektrodenanordnung 120 veranlasst die Potentialmulde mit dem Quantenpunkt zu einem Richtungswechsel hin zu der Gatterelektrodenanordnung 118. The gate electrode arrangement 118 branches off from the gate electrode arrangement 116 in an intersection area 140. The gate electrode arrangement 120 is arranged in the intersection area 140. In the present exemplary embodiment, the gate electrode arrangement 120 contains two barrier gate electrodes 142, 144. These barrier gate electrodes 142, 144 can be switched on when the moving potential well with the quantum dot is located in the intersection area 140. By connecting the barrier gate electrodes 142, 144, the potential well with the quantum dot is held in the intersection area 140. A pump gate electrode 146 of the gate electrode arrangement 120 causes the potential well with the quantum dot to change direction towards the gate electrode arrangement 118.
Sofern kein Richtungswechsel durch die Potentialmulde mit dem Quantenpunkt vorgenommen werden soll, wird eine Barriere-Gatterelektrode 148 der Gatterelektrodenanordnung 120 zugeschaltet. Die beiden anderen Barriere- Gatterelektroden 142, 144 werden hingegen ausgeschaltet. Die Barriere-Gatterelektrode 148 sperrt den Zugang zur Gatterelektrodenanordnung 118. Der Quantenpunkt in der bewegten Potentialmulde hat somit keine Veranlassung für einen Richtungswechsel. If no change of direction is to be made through the potential well with the quantum dot, a barrier gate electrode 148 of the gate electrode arrangement 120 is connected. The other two barrier gate electrodes 142, 144, however, are switched off. The barrier gate electrode 148 blocks access to the gate electrode arrangement 118. The quantum dot in the moving potential well thus has no cause for a change of direction.
Die Fig. 4 stellt schematisch einen Schnitt durch ein solches elektronisches Bauteil 110 dar. Unter dem Schnitt des Bauteils 110 ist eine Verlaufsfolge A bis C einer beweglichen Potentialmulde 150 mit einem Quantenpunkt 152 dargestellt. In der Abbildung des elektronischen Bauelements 110 nur die Elektrodenfinger 136, 138 die Barriere- Gatterelektroden 148 und die Pump-Gatterelektroden 146 im Schnitt sichtbar sind. Darunter sind Abfolgen von A bis C der Verläufe von Potentialmulden 150 in dem Substrat 112 dargestellt. Die Elektrodenfinger 136, 138 der Gatterelektrodenanordnungen 118 bildet durch das Substrat 112 die bewegliche Potentialmulden 50 aus. Die Bewegung der Potentialmulden 150 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 126, 128. Die Elektrodenfinger 136, 138 der4 schematically shows a section through such an electronic component 110. Below the section of component 110, a progression sequence A to C of a movable potential well 150 with a quantum dot 152 is shown. In the illustration of the electronic component 110, only the electrode fingers 136, 138, the barrier gate electrodes 148 and the pump gate electrodes 146 are visible in section. Below that, sequences from A to C of the courses of potential wells 150 in the substrate 112 are shown. The electrode fingers 136, 138 of the gate electrode arrangements 118 form the movable potential wells 50 through the substrate 112. The movement of the Potential wells 150 are created by suitable interconnection of the electrode fingers 126, 128. The electrode fingers 136, 138 of the
Gatterelektrodenanordnung 116 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde 150 durch das Substrat 112 bewirken. Bei der vorliegenden Abbildung wird veranschaulicht, wie die Potentialmulde 150 mit dem Quantenpunkt 152 aus dem Kreuzungsbereich 140 abgezweigt wird. Die bewegliche Potentialmulde 150 befindet sich in Richtung der abzweigenden Gatterelektrode 118. Der Pfeil 154 symbolisiert hierbei die Bewegungsrichtung, die die Potentialmulde 150 mit dem Quantenpunkt 152 läuft. For this purpose, gate electrode arrangements 116 are interconnected periodically in alternation, which cause an almost continuous movement of the potential well 150 through the substrate 112. The illustration at hand illustrates how the potential well 150 with the quantum dot 152 is branched off from the intersection area 140. The movable potential well 150 is located in the direction of the branching gate electrode 118. The arrow 154 here symbolizes the direction of movement that the potential well 150 with the quantum dot 152 runs.
In Fig. 5 wird ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement 210 dargestellt, welches aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 212 für das elektronische Bauelement 210 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 210 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf einer Fläche 214 des Substrats 212 sind Gatterelektrodenanordnungen 216, 218 vorgesehen. 5 shows a first exemplary embodiment for an electronic component 210 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure. The structures of the component are preferably in a nanoscale dimension. Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 212 for the electronic component 210. The electronic component 210 is designed in such a way that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG). Gate electrode assemblies 216, 218 are provided on a surface 214 of the substrate 212.
Die Gatterelektrodenanordnungen 216, 218, weisen jeweils zwei Gatterelektroden 220, 222, 224, 226 auf. Die einzelnen Gatterelektroden sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 227 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektrodenanordnungen 216, 218, 240 sind dazu schichtweise vorgesehen, zwischen jederThe gate electrode arrangements 216, 218 each have two gate electrodes 220, 222, 224, 226. The individual gate electrodes are electrically isolated from one another by means of insulating layers 227 in a suitable manner. The gate electrode assemblies 216, 218, 240 are provided in layers, between each
Gatterelektrodenanordnung jeweils eine Isolierschicht 227 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 220, 222, 224, 226 umfassen weiterhin Elektrodenfinger 228, 230, 232, 234, die parallel zueinander auf der Fläche 214 des Substrats angeordnet sind. Gate electrode arrangement in each case an insulating layer 227 is provided. The gate electrodes 220, 222, 224, 226 further comprise electrode fingers 228, 230, 232, 234, which are arranged parallel to one another on the surface 214 of the substrate.
In einem angrenzenden Bereich 236, wo die Gatterelektrodenanordnungen 216, 218 Zusammenstößen, wird eine Manipulationszone 238 ausgebildet. In der Manipulationszone 238 befindet sich ein Manipulator 239, welcher eine weitere Gatterelektrodenanordnung 140 enthält. Die Gatterelektrodenanordnung 240 umfasst Gatterelektroden 242, 244, 246, welche mindestens eine statische Potentialmulde ausbilden. Die Gatterelektrodenanordnung 240 enthält ferner Pump-Gatterelektroden 248, 250, welche einen Quantenpunkt bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen können. A manipulation zone 238 is formed in an adjacent area 236 where the gate electrode assemblies 216, 218 meet. In the manipulation zone 238 there is a manipulator 239 which contains a further gate electrode arrangement 140. The gate electrode arrangement 240 comprises gate electrodes 242, 244, 246, which have at least one static potential well form. The gate electrode arrangement 240 also contains pump gate electrodes 248, 250, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation.
Die Gatterelektrodenanordnungen 216, 218, 240 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 220, 222, 224, 226 derThe gate electrode arrangements 216, 218, 240 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 220, 222, 224, 226 of the
Gatterelektrodenanordnungen 216, 218 wird eine Potentialmulde in dem Substrat 212 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde gefangener Quantenpunkt bzw. Ladungsträger lässt sich durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 228, 230, 232, 234 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt bzw. der Ladungsträger, der in einer solchen Potentialmulde quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 212 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. Gate electrode arrangements 216, 218 create a potential well in substrate 212. A quantum dot or charge carrier trapped in this potential well can be translated through the substrate. The potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 228, 230, 232, 234 with sinusoidal voltages. The quantum dot or the charge carrier that is quasi trapped in such a potential well can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 212 without experiencing a quantum mechanical change in state.
Fig. 6 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf einer Manipulation eines Quantenpunkts bzw. Ladungsträgers 252, 254 in der Manipulationszone 238 für eine Einzel-Qubit-Operation. Die Abbildung zeigt einen Schnitt des elektronischen Bauelements 210, so dass nur noch die die Elektrodenfinger 228, 230, 232, 234, die Barriere-Gatterelektroden 242, 244, 246 und die Pump-Gatterelektroden 248, 250 im Schnitt sichtbar sind. Darunter sind Abfolgen A bis F der Verläufe der Potentialmulden 256, 258, 260 in dem Substrat 212 zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 228, 230, 232 234 der Gatterelektrodenanordnung 216, 218 bilden durch das Substrat 212 bewegliche Potentialmulden 256 und 258 aus. Die Bewegung der Potentialmulden 256, 258 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 228, 230, 232, 234. Die Elektrodenfinger 228, 230, 232, 234 der Gatterelektrodenanordnung 216, 218 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulden 256, 258 durch das Substrat 212 bewirken. In der Manipulationszone 238 ist eine statische Doppelmulde 260 ausgebildet. Die statische Doppelmulde 260 wird durch die Barriere-Gatterelektroden 242, 244, 246 erzeugt. Zunächst wird ein Quantenpunkt 254 mit der beweglichen Potentialmulde 258 an die statische Doppelpotentialmulde 260 in der Manipulationszone 238 hereingebracht. Durch den Manipulator 239, beispielsweise ein Gradientenmagnetfeld, kann der Quantenpunkt 254 einen definierten quantenmechanischen Zustand annehmen. Ein weiterer Quantenpunkt 252 wartet außerhalb der Manipulationszone 238. Durch Bewegung im Magnetfeldgradienten des Manipulators 239 wird ein definierter Quantenzustand des Quantenpunkts 254 erreicht. Es besteht nun die Möglichkeit, dass der Quantenpunkt 254 durch Delokalisation (E) oder durch schnelles Hin- und Herbewegen im Magnetfeldgradienten (F) einen definierten Quantenzustand annimmt. Die aus der Manipulationszone 238 weggeführten Quantenpunkte 252, 254 erhalten so definierte quantenmechanische Zustände. 6 shows, in a schematic principle sketch, the sequence of a manipulation of a quantum dot or charge carrier 252, 254 in the manipulation zone 238 for a single qubit operation. The figure shows a section of the electronic component 210 so that only the electrode fingers 228, 230, 232, 234, the barrier gate electrodes 242, 244, 246 and the pump gate electrodes 248, 250 are visible in section. Below that, sequences A to F of the courses of the potential wells 256, 258, 260 in the substrate 212 are shown for the purpose of explaining the function. The electrode fingers 228, 230, 232, 234 of the gate electrode arrangement 216, 218 form movable potential wells 256 and 258 through the substrate 212. The movement of the potential troughs 256, 258 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 228, 230, 232, 234. The electrode fingers 228, 230, 232, 234 of the gate electrode arrangement 216, 218 are interconnected periodically alternating, which results in an almost continuous movement of the potential troughs 256, 258 through the substrate 212. A static double trough 260 is formed in the manipulation zone 238. The static double well 260 is created by the barrier gate electrodes 242, 244, 246. First, a quantum dot 254 with the movable potential well 258 is brought into the static double potential well 260 in the manipulation zone 238. Through the manipulator 239, for example a gradient magnetic field, the quantum dot 254 can assume a defined quantum mechanical state. Another quantum dot 252 waits outside the manipulation zone 238. A defined quantum state of the quantum dot 254 is reached by movement in the magnetic field gradient of the manipulator 239. There is now the possibility that the quantum dot 254 assumes a defined quantum state through delocalization (E) or through rapid back and forth movement in the magnetic field gradient (F). The quantum dots 252, 254 carried away from the manipulation zone 238 receive quantum mechanical states defined in this way.
Die Fig. 7 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf einer Manipulation eines Quantenpunkts bzw. Ladungsträgers 254 in der Manipulationszone 238 für eine Einzel- Qubit-Operation. Die Abbildung zeigt einen Schnitt des elektronischen Bauelements 210, so dass nur noch die die Elektrodenfinger 232, 234, die Barriere-Gatterelektroden 242, 244, 246 und die Pump-Gatterelektroden 248, 250 im Schnitt sichtbar sind. Darunter sind Abfolgen A bis F der Verläufe der Potentialmulden 258, 260 in dem Substrat 212 zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 232, 234 derFIG. 7 shows in a schematic basic sketch the sequence of a manipulation of a quantum dot or charge carrier 254 in the manipulation zone 238 for a single qubit operation. The figure shows a section of the electronic component 210, so that only the electrode fingers 232, 234, the barrier gate electrodes 242, 244, 246 and the pump gate electrodes 248, 250 are visible in section. Below that, sequences A to F of the courses of the potential wells 258, 260 in the substrate 212 are shown for the purpose of explaining the function. The electrode fingers 232, 234 of the
Gatterelektrodenanordnungen 216, 218 bilden durch das Substrat 212 die bewegliche Potentialmulde 258 aus. Die Bewegung der Potentialmulde 258 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 232, 234. Die Elektrodenfinger 232, 234 der Gatterelektrodenanordnung 218 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde 258 durch das Substrat 212 bewirkt. Gate electrode arrangements 216, 218 form the movable potential well 258 through the substrate 212. The movement of the potential well 258 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 232, 234. The electrode fingers 232, 234 of the gate electrode arrangement 218 are interconnected periodically alternating, which causes an almost continuous movement of the potential well 258 through the substrate 212.
In der Manipulationszone 238 ist die statische Doppelmulde 260 ausgebildet. Die statische Doppelmulde 260 wird durch die Barriere-Gatterelektroden 242, 244, 246 erzeugt. Der Quantenpunkt 254 wird mit der beweglichen Potentialmulde 258 an die statische Doppelpotentialmulde 260 in der Manipulationszone 238 hereingebracht. Durch den Manipulator 239, beispielsweise ein Gradientenmagnetfeld, kann der Quantenpunkt 254 einen definierten quantenmechanischen Zustand annehmen. Es besteht nun die Möglichkeit, dass der Quantenpunkt 254 durch Delokalisation in der Doppelmulde (E) oder durch schnelles Hin- und Herbewegen im Magnetfeldgradienten (F) einen definierten Quantenzustand annimmt. Die aus der Manipulationszone 238 weggeführten Quantenpunkte 254 erhält so einen definierten quantenmechanischen Zustand. The static double trough 260 is formed in the manipulation zone 238. The static double well 260 is created by the barrier gate electrodes 242, 244, 246. The quantum dot 254 is connected to the movable potential well 258 static double potential well 260 in the manipulation zone 238 brought in. Through the manipulator 239, for example a gradient magnetic field, the quantum dot 254 can assume a defined quantum mechanical state. There is now the possibility that the quantum dot 254 assumes a defined quantum state through delocalization in the double well (E) or through rapid to and fro movement in the magnetic field gradient (F). The quantum dots 254 carried away from the manipulation zone 238 thus receive a defined quantum mechanical state.
Fig. 8 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf einer Manipulation in der Manipulationszone 238 einer weiteren Variante für Zwei-Qubit-Operationen. Die Abbildung zeigt einen Schnitt des elektronischen Bauelements 210, so dass nur noch die die Elektrodenfinger 228, 230, 232, 234, die Barriere-Gatterelektroden 242, 244, 246 und die Pump-Gatterelektroden 248, 250 im Schnitt sichtbar sind. Darunter sind Abfolgen A bis E der Verläufe der Potentialmulden 256, 258, 260 in dem Substrat 212 zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 228, 230, 232 234 der Gatterelektrodenanordnungen 216, 218 bilden durch das Substrat 212 bewegliche Potentialmulden 256 und 258 aus. Die Bewegung der Potentialmulden 256, 258 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 228, 230, 232, 234. Die Elektrodenfinger 228, 230, 232, 234 der Gatterelektrodenanordnung 216, 218 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulden 256, 258 durch das Substrat 212 bewirken. 8 shows, in a schematic basic sketch, the sequence of a manipulation in the manipulation zone 238 of a further variant for two-qubit operations. The figure shows a section of the electronic component 210 so that only the electrode fingers 228, 230, 232, 234, the barrier gate electrodes 242, 244, 246 and the pump gate electrodes 248, 250 are visible in section. Below that, sequences A to E of the courses of the potential wells 256, 258, 260 in the substrate 212 are shown for the purpose of explaining the function. The electrode fingers 228, 230, 232, 234 of the gate electrode arrangements 216, 218 form movable potential wells 256 and 258 through the substrate 212. The movement of the potential troughs 256, 258 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 228, 230, 232, 234. The electrode fingers 228, 230, 232, 234 of the gate electrode arrangement 216, 218 are interconnected periodically alternating, which results in an almost continuous movement of the potential troughs 256, 258 through the substrate 212.
In der Manipulationszone 238 ist die statische Doppelmulde 260 ausgebildet. Die statische Doppelmulde 260 wird auch hier durch die Barriere-Gatterelektroden 242, 244, 246 erzeugt. Die Quantenpunkte 252, 254 werden mit den beweglichen Potentialmulden 256, 258 an die statische Doppelpotentialmulde 260 in der Manipulationszone 238 translatiert und jeweils in die Doppelpotentialmulde 260 eingebracht. Durch den Manipulator 239, beispielsweise ein Gradientenmagnetfeld, können die Quantenpunkte 252, 254 einen definierten quantenmechanischen Zustand annehmen. Durch Austauschwechselwirkung 264 können Zwei-Qubit-Operationen zwischen den Quantenpunkten 252, 254 durchgeführt werden. Die aus der Manipulationszone 238 weggeführten Quantenpunkten 252, 254 erhalten so definierte quantenmechanische Zustände. The static double trough 260 is formed in the manipulation zone 238. The static double trough 260 is also generated here by the barrier gate electrodes 242, 244, 246. The quantum dots 252, 254 are translated with the movable potential wells 256, 258 to the static double potential well 260 in the manipulation zone 238 and each introduced into the double potential well 260. Through the manipulator 239, for example a gradient magnetic field, the quantum dots 252, 254 can assume a defined quantum mechanical state. Exchange interaction 264 allows two qubit operations between the Quantum dots 252, 254 are performed. The quantum dots 252, 254 carried away from the manipulation zone 238 receive quantum mechanical states defined in this way.
In Fig. 9 wird ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement 310 dargestellt, welches aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 312 für das elektronische Bauelement 310 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 310 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf einer Fläche 314 des Substrats 312 sind Gatterelektrodenanordnungen 316, 318 vorgesehen. 9 shows a first exemplary embodiment for an electronic component 310 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure. The structures of the component are preferably in a nanoscale dimension. Undoped silicon germanium (SiGe) is used as substrate 312 for electronic component 310. The electronic component 310 is configured such that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG). Gate electrode assemblies 316, 318 are provided on a surface 314 of the substrate 312.
Die Gatterelektrodenanordnung 316 weist zwei Gatterelektroden 320, 322 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 320, 322 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 324 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektrodenanordnungen 316, 318, sind dazu schichtweise vorgesehen, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 320, 322 jeweils die Isolierschicht 324 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 320, 322 umfassen weiterhin Elektrodenfinger 326, 328, die parallel zueinander auf der Fläche 314 des Substrats 312 angeordnet sind. The gate electrode arrangement 316 has two gate electrodes 320, 322. The individual gate electrodes 320, 322 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 324 in a suitable manner. For this purpose, the gate electrode arrangements 316, 318 are provided in layers, with the insulating layer 324 being provided between each gate electrode 320, 322. The gate electrodes 320, 322 further comprise electrode fingers 326, 328 which are arranged parallel to one another on the surface 314 of the substrate 312.
Die Gatterelektrodenanordnungen 316, 318 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 320, 322 der Gatterelektrodenanordnungen 316 wird eine Potentialmulde in dem Substrat 312 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde gefangener Quantenpunkt bzw. Ladungsträger lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 326, 328 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt bzw. der Ladungsträger, der in einer solchen Potentialmulde quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 312 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. Die Gatterelektrodenanordnung 316 bildet einen Bereich aus, in dem ein Quantenpunkt mittels einer Potentialmulde translatiert werden kann. Die Gatterelektrodenanordnung 318 bildet hingegen eine statische Potentialmulde aus. Die Gatterelektrodenanordnung 318 umfasst dafür Barriere-Gatterelektroden 330, 332 und eine Pump-Gatterelektrode 334, welche einen Quantenpunkt bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen kann. Die Pump-Gatterelektrode 334 ist zwischen den Barriere- Gatterelektroden 330, 332 angeordnet. Auch die Gatterelektroden 330, 332 und 334 sind jeweils durch eine Isolierschicht 324 getrennt. The gate electrode arrangements 316, 318 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 320, 322 of the gate electrode arrangements 316, a potential well is generated in the substrate 312. A quantum dot or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate. The potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 326, 328 with sinusoidal voltages. The quantum dot or the charge carrier that is quasi trapped in such a potential well can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 312 without experiencing a quantum mechanical change of state. The gate electrode arrangement 316 forms an area in which a quantum dot can be translated by means of a potential well. In contrast, the gate electrode arrangement 318 forms a static potential well. For this purpose, the gate electrode arrangement 318 comprises barrier gate electrodes 330, 332 and a pump gate electrode 334, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation. The pump gate electrode 334 is arranged between the barrier gate electrodes 330, 332. The gate electrodes 330, 332 and 334 are also each separated by an insulating layer 324.
An die Barriere-Gatterelektrodenanordnung schließt ein Sensorelement 336 zum Detektieren von Ladungsänderungen an. Das Sensorelement 336 erfasst die Ladung, welche in der statischen Potentialmulde vorliegt. Die Potentialmulde wird durch die Gatterelektrodenanordnung 318 generiert. A sensor element 336 for detecting changes in charge is connected to the barrier gate electrode arrangement. The sensor element 336 detects the charge which is present in the static potential well. The potential well is generated by the gate electrode arrangement 318.
Fig. 10 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf für ein Auslesen eines Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt 342. Die Abbildung zeigt einen Schnitt in das elektronische Bauelement 310, so dass nur noch die Elektrodenfinger 326, 328, die Barriere-Gatterelektroden 330, 332 und die Pump-Gatterelektroden 334 im Schnitt sichtbar sind. Darunter sind Abfolgen von A bis C der Verläufe von Potentialmulden 346, 348 in dem Substrat 312 zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 326, 328 der Gatterelektrodenanordnung 316 bilden durch das Substrat 312 die bewegliche Potentialmulde 346 aus. Die Bewegung der Potentialmulden 342 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 326, 328. Die Elektrodenfinger 326, 328 der Gatterelektrodenanordnung 316 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung des Quantenpunkts 342 durch das Substrat 312 bewirken. 10 shows, in a schematic principle sketch, the sequence for reading out a quantum state of a qubit in a quantum dot 342. The illustration shows a section into the electronic component 310, so that only the electrode fingers 326, 328, the barrier gate electrodes 330, 332 and the pump gate electrodes 334 are visible in section. Below that, sequences from A to C of the courses of potential wells 346, 348 in the substrate 312 are shown for the purpose of explaining the function. The electrode fingers 326, 328 of the gate electrode arrangement 316 form the movable potential well 346 through the substrate 312. The movement of the potential wells 342 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 326, 328. The electrode fingers 326, 328 of the gate electrode arrangement 316 are interconnected periodically in alternation, which cause an almost continuous movement of the quantum dot 342 through the substrate 312.
Das elektronische Bauteil 310 beruht auf dem auf dem physikalischen Pauli-Prinzip, dass ein elektronisches Niveau niemals mit Elektronen gleichen Spins besetzt werden kann. Mittels der Gatterelektroden 330, 332 wird zum einen die statische Potentialmulde 348 erzeugt und zum anderen die bewegliche Potentialmulde 346 mittels der Gatterelektroden 326, 328. In die statische Potentialmulde 348 wird ein Quantenpunkt 342 eingebracht, von dem der quantenmechanische Zustand auf einem Niveau - bei einem Elektron der Spin - bekannt ist. Der Quantenpunkt wird mit der Pump- Gatterelektrode 340 ausgerichtet, z.B. Spin-Up, wie hier dargestellt. Mittels der beweglichen Potentialmulde 346 wird ein weiterer Quantenpunkt 344 an die statische Potentialmulde 348 in demselben Niveau herangeführt. Pfeil 350 deutet die Translationsrichtung des Quantenpunkts 344 mit der beweglichen Potentialmulde 346 an. Sind die quantenmechanischen Zustände unterschiedlich, so wird nun das Niveau aufgefüllt. Das Auffüllen kann durch Tunneln erfolgen, was mit Pfeil 352 symbolisiert wird. The electronic component 310 is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be occupied by electrons with the same spin. By means of the gate electrodes 330, 332, on the one hand, the static potential well 348 is generated and, on the other hand, the movable potential well 346 is generated by means of the Gate electrodes 326, 328. A quantum dot 342 is introduced into the static potential well 348, of which the quantum mechanical state is known at one level - for an electron the spin. The quantum dot is aligned with the pump gate electrode 340, eg spin-up, as shown here. By means of the movable potential well 346, a further quantum dot 344 is brought up to the static potential well 348 at the same level. Arrow 350 indicates the translation direction of the quantum dot 344 with the movable potential well 346. If the quantum mechanical states are different, the level is now filled. Filling can be done by tunneling, which is symbolized by arrow 352.
Das Sensorelement 336 detektiert in dem Fall, dass ein Quantenpunkt hinzugekommen ist, eine geänderte Ladung auf diesem Niveau. Sind die quantenmechanische Zustände der Quantenpunkte 342, 344 gleich, dann kann das Niveau nicht noch einen Ladungsträger 358 aufnehmen. Der quantenmechanische Zustand ändert sich auf diesem Niveau somit nicht. Damit kann ermittelt werden, welchen quantenmechanischen Zustand der herangeführte Quantenpunkt 342 aufweist. In the event that a quantum dot has been added, the sensor element 336 detects a changed charge at this level. If the quantum mechanical states of the quantum dots 342, 344 are the same, then the level cannot take up another charge carrier 358. The quantum mechanical state does not change at this level. It can thus be determined which quantum mechanical state the introduced quantum dot 342 has.
In Fig. 11 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße elektronische Bauelement 310 dargestellt, welches wieder aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 312 für das elektronische Bauelement 310 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 310 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf der Fläche 314 des Substrats 312 sind die Gatterelektrodenanordnungen 316, 318 vorgesehen. FIG. 11 shows a further exemplary embodiment for the electronic component 310 according to the invention, which is again formed from a semiconductor heterostructure. The structures of the component are preferably in a nanoscale dimension. Undoped silicon germanium (SiGe) is used as substrate 312 for electronic component 310. The electronic component 310 is configured such that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG). Gate electrode assemblies 316, 318 are provided on surface 314 of substrate 312.
Die Gatterelektrodenanordnung 316, weist zwei Gatterelektroden 320, 322 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 320, 322 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 324 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektroden 320, 322 der Gatterelektrodenanordnung 316 sind dazu schichtweise vorgesehen, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 320, 322 der Gatterelektrodenanordnung 316 die Isolierschicht 324 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 320, 322 umfassen weiterhin die Elektrodenfinger 326, 328, die parallel zueinander auf der Fläche 314 des Substrats 312 angeordnet sind. The gate electrode arrangement 316 has two gate electrodes 320, 322. The individual gate electrodes 320, 322 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 324 in a suitable manner. The gate electrodes 320, 322 of the gate electrode arrangement 316 are provided in layers for this purpose, with the insulating layer between each gate electrode 320, 322 of the gate electrode arrangement 316 324 is provided. The gate electrodes 320, 322 further comprise the electrode fingers 326, 328, which are arranged parallel to one another on the surface 314 of the substrate 312.
Die Gatterelektrodenanordnungen 316, 318 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 320, 322 der Gatterelektrodenanordnung 316 wird eine bewegliche Potentialmulde in dem Substrat 312 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde gefangener Quantenpunkt 342 bzw. Ladungsträger lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 326, 328 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt 342 bzw. der Ladungsträger 358, der in einer solchen Potentialmulde quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 312 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. The gate electrode arrangements 316, 318 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 320, 322 of the gate electrode arrangement 316, a movable potential well is generated in the substrate 312. A quantum dot 342 or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate. The potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 326, 328 with sinusoidal voltages. The quantum dot 342 or the charge carrier 358, which is quasi trapped in such a potential well, can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 312 without experiencing a quantum mechanical change in state.
Die Gatterelektrodenanordnung 318 bildet eine statische Doppelpotentialmulde aus. Die Gatterelektrodenanordnung 318 umfasst dafür die Barriere-Gatterelektroden 330, 332, 338 und neben der Pump-Gatterelektrode 334 eine weitere Pump-Gatterelektrode 340, welche einen Quantenpunkt bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen kann. Die Pump-Gatterelektroden 334, 340 sind abwechselnd zwischen den Barriere-Gatterelektroden 330, 332 und 338 angeordnet. The gate electrode arrangement 318 forms a static double potential well. For this purpose, the gate electrode arrangement 318 comprises the barrier gate electrodes 330, 332, 338 and, in addition to the pump gate electrode 334, a further pump gate electrode 340, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation. The pump gate electrodes 334, 340 are arranged alternately between the barrier gate electrodes 330, 332 and 338.
An die Barriere-Gatterelektrodenanordnung 318 schließt das Sensorelement 336 zum Detektieren von Ladungsänderungen an. Das Sensorelement 336 erfasst die Ladung, welche in der statischen Doppelpotentialmulde vorliegt. Die Doppelpotentialmulde wird durch die Gatterelektrodenanordnung 318 generiert. The sensor element 336 for detecting changes in charge connects to the barrier gate electrode arrangement 318. The sensor element 336 detects the charge which is present in the static double potential well. The double potential well is generated by the gate electrode arrangement 318.
Fig. 12 zeigt in einer schematischen Prinzipskizze den Ablauf für ein Auslesen eines Quantenzustands eines Qubits in dem Quantenpunkt 342. Die Abbildung zeigt einen Schnitt in das elektronische Bauelement 310, so dass nur noch die die Elektrodenfinger 326, 328, die Barriere-Gatterelektroden 330, 332, 338 und die Pump-Gatterelektroden 334, 340 im Schnitt sichtbar sind. Darunter sind Abfolgen von A bis F der Verläufe von den Potentialmulden 346, 348 in dem Substrat 312 zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 326, 328 der Gatterelektrodenanordnung 316 bildet durch das Substrat 312 die beweglichen Potentialmulden 346 aus. Die Bewegung der Potentialmulden 346 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 326, 328. Die Elektrodenfinger 326, 328 der Gatterelektrodenanordnung 316 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde 346 durch das Substrat 312 bewirken. 12 shows, in a schematic principle sketch, the sequence for reading out a quantum state of a qubit in the quantum dot 342. The illustration shows a section through the electronic component 310, so that only the electrode fingers 326, 328, the barrier gate electrodes 330, 332, 338 and the pump gate electrodes 334, 340 are visible in section. Below that, sequences from A to F of the courses from the potential wells 346, 348 in the substrate 312 are shown to explain the function. The electrode fingers 326, 328 of the gate electrode arrangement 316 form the movable potential wells 346 through the substrate 312. The movement of the potential troughs 346 takes place by suitable interconnection of the electrode fingers 326, 328. The electrode fingers 326, 328 of the gate electrode arrangement 316 are interconnected periodically alternating, which cause an almost continuous movement of the potential trough 346 through the substrate 312.
Das elektronische Bauteil 310 beruht auf dem auf dem physikalischen Pauli-Prinzip, dass ein elektronisches Niveau niemals mit Elektronen gleichen Spins besetzt werden können. Mittels der Gatterelektroden 330, 332 und 338 wird zum einen eine statische Doppelpotentialmulde 362 erzeugtund zum anderen die bewegliche Potentialmulde 346. In eine erste Potentialmulde 364 der statischen Doppelpotentialmulde 362 wird ein Ladungsträger 358 eingebracht. Zwei Ladungsträger 358 werden mit den Pump- Gatterelektroden 334, 340 aufgespalten, z.B. mit Hilfe eines Gradientenmagnetfelds. Ein abgespaltener Ladungsträger 360 tunnelt in eine zweite statische Potentialmulde 366. Mittels der beweglichen Potentialmulde 346 wird ein weiterer Quantenpunkt 342 an die zweite statische Potentialmulde 366 der Doppelpotentialmulde 362 in demselben Niveau herangeführt. Pfeil 350 deutet die Translationsrichtung des Quantenpunkts 342 mit der beweglichen Potentialmulde 346 an. Der Quantenpunkt 360 der zweiten statischen Potentialmulde 366 tauscht mit dem Quantenpunkt 342 der beweglichen Potentialmulde 346. Der quantenmechanische Zustand mit der beweglichen Potentialmulde 346 ist bekannt. Der Quantenpunkt 342 tunnelt, sofern er den gleichen Spin hat, wie der weggeführte Quantenpunkt 360 wieder in die erste statische Potentialmulde der Doppelpotentialmulde 362. Das Sensorelement 336 erfasst keine Ladungsänderung. Sind die quantenmechanischen Zustände von dem Quantenpunkt 360 und 342 unterschiedlich, so wird eine Ladungsänderung detektiert. Das Auffüllen kann durch Tunneln erfolgen, was mit dem Pfeil 352 symbolisiert wird. In Fig. 13 wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäßes elektronische Bauelement 410 dargestellt, welches wieder aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 412 für das elektronische Bauelement 410 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 410 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf der Fläche 414 des Substrats 412 sind die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 vorgesehen. The electronic component 310 is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be occupied by electrons with the same spin. By means of the gate electrodes 330, 332 and 338, on the one hand a static double potential well 362 is generated and on the other hand the movable potential well 346. A charge carrier 358 is introduced into a first potential well 364 of the static double potential well 362. Two charge carriers 358 are split up with the pump gate electrodes 334, 340, for example with the aid of a gradient magnetic field. A split-off charge carrier 360 tunnels into a second static potential well 366. By means of the movable potential well 346, a further quantum dot 342 is brought up to the second static potential well 366 of the double potential well 362 at the same level. Arrow 350 indicates the translation direction of the quantum dot 342 with the movable potential well 346. The quantum dot 360 of the second static potential well 366 exchanges with the quantum dot 342 of the movable potential well 346. The quantum mechanical state with the movable potential well 346 is known. The quantum dot 342, provided it has the same spin as the removed quantum dot 360, tunnels again into the first static potential well of the double potential well 362. The sensor element 336 does not detect any change in charge. If the quantum mechanical states of the quantum dot 360 and 342 are different, a change in charge is detected. The filling can take place by tunneling, which is symbolized by the arrow 352. FIG. 13 shows an exemplary embodiment of the electronic component 410 according to the invention, which is again formed from a semiconductor heterostructure. The structures of the component are preferably in a nanoscale dimension. Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410. The electronic component 410 is configured to contain a two-dimensional electron gas (2DEG). Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on surface 414 of substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnung 416, weist zwei Gatterelektroden 420, 422 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 420, 422 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 424 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektroden 420, 422 der Gatterelektrodenanordnung 416 sind dazu schichtweise vorgesehen, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 420, 422 der Gatterelektrodenanordnung 416 die Isolierschicht 424 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 420, 422 umfassen weiterhin die Elektrodenfinger 426, 428, die parallel zueinander auf der Fläche 414 des Substrats 412 angeordnet sind. The gate electrode arrangement 416 has two gate electrodes 420, 422. The individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 424 in a suitable manner. The gate electrodes 420, 422 of the gate electrode arrangement 416 are provided in layers for this purpose, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422 of the gate electrode arrangement 416. The gate electrodes 420, 422 further comprise the electrode fingers 426, 428, which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 420, 422 der Gatterelektrodenanordnung 416 wird eine bewegliche Potentialmulde in dem Substrat 412 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde gefangener Quantenpunkt 442 bzw. Ladungsträger lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 426, 428 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt 442, der in einer solchen Potentialmulde quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 412 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. The gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 420, 422 of the gate electrode arrangement 416, a movable potential well is generated in the substrate 412. A quantum dot 442 or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate. The potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 426, 428 with sinusoidal voltages. The quantum dot 442, which is quasi trapped in such a potential well, can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
Die Gatterelektrodenanordnung 418 bildet eine statische Doppelpotentialmulde aus. Die Gatterelektrodenanordnung 418 umfasst dafür die Barriere-Gatterelektroden 436, 438, 440 und neben der Pump-Gatterelektrode 442 eine weitere Pump-Gatterelektrode 444, welche einen Quantenpunkt bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen kann. Die Pump-Gatterelektroden 442, 444 sind abwechselnd zwischen den Barriere-Gatterelektroden 436, 438 und 440 angeordnet. Die Gatterelektroden 436, 438, 440, 442, 444 verfügen jeweils über Elektrodenfinger 437, 439, 441, 443, 445. The gate electrode arrangement 418 forms a static double potential well. The gate electrode arrangement 418 comprises the barrier gate electrodes 436, 438, 440 and, in addition to the pump gate electrode 442, a further pump gate electrode 444, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation. The pump gate electrodes 442, 444 are arranged alternately between the barrier gate electrodes 436, 438 and 440. The gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 have electrode fingers 437, 439, 441, 443, 445, respectively.
An die Barriere-Gatterelektrodenanordnung 418 schließt das Reservoir 449 zum Einbringen von Ladungsänderungen an. The reservoir 449 for introducing changes in charge connects to the barrier gate electrode arrangement 418.
Die Fig. 14 zeigt im Schnitt ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes elektronisches Bauelement 410, welches aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 412 für das elektronische Bauelement 410 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 410 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf einer Fläche 414 des Substrats 412 sind Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 vorgesehen. 14 shows in section a first exemplary embodiment for an electronic component 410 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure. The structures of the component are preferably in a nanoscale dimension. Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410. The electronic component 410 is configured to contain a two-dimensional electron gas (2DEG). Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on a surface 414 of the substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnung 416 weist zwei Gatterelektroden 420, 422 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 420, 422 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 424 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418, sind dazu schichtweise vorgesehen, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 420, 422 jeweils die Isolierschicht 424 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 420, 422 umfassen weiterhin Elektrodenfinger 426, 428, die parallel zueinander auf der Fläche 414 des Substrats 412 angeordnet sind. The gate electrode arrangement 416 has two gate electrodes 420, 422. The individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 424 in a suitable manner. For this purpose, the gate electrode arrangements 416, 418 are provided in layers, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422. The gate electrodes 420, 422 further comprise electrode fingers 426, 428 which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 420, 422 der Gatterelektrodenanordnungen 416 wird eine Potentialmulde 430 in dem Substrat 412 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde 430 gefangener Quantenpunkt 432 bzw. Ladungsträger lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde 430 wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 426, 428 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt 432 bzw. der Ladungsträger, der in einer solchen Potentialmulde 430 quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde 430 über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 412 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. The gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 420, 422 of the gate electrode arrangements 416, a potential well 430 is generated in the substrate 412. A quantum dot 432 or charge carrier trapped in this potential well 430 can thus be translated through the substrate. The potential well 430 is activated by the appropriate control of the Electrode fingers 426, 428 translated longitudinally through the substrate with sinusoidal voltages. The quantum dot 432 or the charge carrier that is quasi trapped in such a potential well 430 can be translated with this potential well 430 over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
Die Gatterelektrodenanordnung 418 bildet hingegen eine statische Doppelmulde 434 aus. Die Gatterelektrodenanordnung 418 umfasst dafür Barriere-Gatterelektroden 436,In contrast, the gate electrode arrangement 418 forms a static double trough 434. For this purpose, the gate electrode arrangement 418 comprises barrier gate electrodes 436,
438, 440 und zwei Pump-Gatterelektroden 442, 444, welche einen Quantenpunkt 432, 450, 454 bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen kann. Die Pump-Gatterelektroden 442, 444 sind jeweils zwischen den Barriere-Gatterelektroden 436, 438, 440 angeordnet. Auch die Gatterelektroden 436, 438, 440, 442, 444 der Gatterelektrodenanordnung 418 sind jeweils durch eine Isolierschicht 424 getrennt. Die Gatterelektroden 436, 438, 440, 442, 444 verfügen jeweils über Elektrodenfinger 437,438, 440 and two pump gate electrodes 442, 444, which can set a quantum dot 432, 450, 454 or a charge carrier in motion or oscillation. The pump gate electrodes 442, 444 are arranged between the barrier gate electrodes 436, 438, 440, respectively. The gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 of the gate electrode arrangement 418 are each separated by an insulating layer 424. The gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 each have electrode fingers 437,
439, 441, 443, 445. Die Elektrodenfinger 437, 439, 441, 443, 445 sind in dieser Schnittzeichnung zu sehen. 439, 441, 443, 445. The electrode fingers 437, 439, 441, 443, 445 can be seen in this sectional drawing.
In dieser Abbildung werden unterhalb der Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 die Verläufe in dem Substrat 412 des elektronischen Bauelements 410 zum Initialisieren eines Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt schematisch dargestellt. Die Abfolgen von A bis F der Verläufe von den Potentialmulden 430, 434 in dem Substrat 412 werden zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 426, 428 der Gatterelektrodenanordnungen 416 bildet durch das Substrat 412 die bewegliche Potentialmulden 430 aus. Die Bewegung der Potentialmulden 430 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 426, 428. Die Elektrodenfinger 426, 428 der Gatterelektrodenanordnung 416 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde 442 durch das Substrat 412 bewirken. In this figure, the profiles in the substrate 412 of the electronic component 410 for initializing a quantum state of a qubit in a quantum dot are shown schematically below the gate electrode arrangements 416, 418. The sequences from A to F of the courses from the potential wells 430, 434 in the substrate 412 are shown to explain the function. The electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangements 416 form the movable potential wells 430 through the substrate 412. The movement of the potential troughs 430 takes place through the suitable interconnection of the electrode fingers 426, 428. The electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 are interconnected periodically alternating, which cause an almost continuous movement of the potential trough 442 through the substrate 412.
Das elektronische Bauteil 410 beruht auf dem auf dem physikalischen Pauli-Prinzip, dass ein elektronisches Niveau niemals mit Elektronen gleichen Spins besetzt werden können. Mittels der Gatterelektroden 436, 438, 440 und 442, 444 wird zum einen eine statische Doppelpotentialmulde 434 erzeugt und zum anderen mit den Gatterelektroden 420, 422 die bewegliche Potentialmulde 430. In eine erste Potentialmulde 446 der statischen Doppelpotentialmulde 434 werden zwei Ladungsträger 448 aus einem Reservoir 449 eingebracht. Die Ladungsträger 448 werden mit einem Stimulator 451 aufgespalten und ausgerichtet, z.B. mit Hilfe eines Gradientenmagnetfelds und den Pump- Gatterelektroden 442, 444. Ein abgespaltener Ladungsträger 450 tunnelt in eine zweite statische Potentialmulde 452 der Doppelpotentialmulde 434, was mit Pfeil 453 angedeutet wird. In der ersten statischen Potentialmulde verbleibt nur noch ein Ladungsträger 454. Die Quantenzustände der Quantenpunkte 450, 454 in den Potentialmulden 446, 448 sind durch die Ausrichtung eines angelegtenThe electronic component 410 is based on the physical Pauli principle that an electronic level can never be occupied by electrons with the same spins. By means of the gate electrodes 436, 438, 440 and 442, 444, on the one hand, a static double potential well 434 is generated and, on the other hand, the movable potential well 430 is generated with the gate electrodes 420, 422. In a first potential well 446 of the static double potential well 434, two charge carriers 448 are created from a reservoir 449 introduced. The charge carriers 448 are split up and aligned with a stimulator 451, for example with the aid of a gradient magnetic field and the pump gate electrodes 442, 444. A split-off charge carrier 450 tunnels into a second static potential well 452 of the double potential well 434, which is indicated by arrow 453. Only one charge carrier 454 remains in the first static potential well. The quantum states of the quantum dots 450, 454 in the potential wells 446, 448 are due to the alignment of a
Gradientenmagnetfelds bekannt. Gradient magnetic field known.
Mittels der beweglichen Potentialmulde 430 wird ein weiterer Quantenpunkt 432 an die zweite statische Potentialmulde 452 der Doppelpotentialmulde 434 in demselben Niveau herangeführt. Der quantenmechanische Zustand des Quantenpunkts 432 ist nicht bekannt. Pfeil 458 deutet die Translationsrichtung des Quantenpunkts 432 mit der beweglichen Potentialmulde 430 an. Durch Tunneleffekt tauscht der Quantenpunkt 450 der zweiten statischen Potentialmulde 452 mit dem Quantenpunkt 432 der beweglichen Potentialmulde 430. Der quantenmechanische Zustand des Quantenpunkts 450 ist bekannt, befindet sich nun in der beweglichen Potentialmulde 430 und initialisiert beispielsweise ein Qubit. By means of the movable potential well 430, a further quantum dot 432 is brought up to the second static potential well 452 of the double potential well 434 at the same level. The quantum mechanical state of quantum dot 432 is not known. Arrow 458 indicates the translation direction of the quantum dot 432 with the movable potential well 430. Due to the tunnel effect, the quantum dot 450 of the second static potential well 452 exchanges with the quantum dot 432 of the movable potential well 430. The quantum mechanical state of the quantum dot 450 is known, is now located in the movable potential well 430 and initializes a qubit, for example.
Der Quantenpunkt 432 tunnelt, sofern er den gleichen Spin hat, wie der nun zum initialisieren weggeführte Quantenpunkt 450 wieder in die erste statische Potentialmulde 46 der Doppelpotentialmulde 434. Ein hier nicht dargestelltes Sensorelement würde somit keine Ladungsänderung erfassen. Sind die quantenmechanischen Zustände von dem Quantenpunkt 450 und 432 unterschiedlich, so lässt sich eine Ladungsänderung detektieren. Der Austausch durch Tunneln wird mit Pfeil 460 symbolisiert. Die Fig. 15 zeigt im Schnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße elektronische Bauelement 410, welches aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements 410 liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 412 für das elektronische Bauelement 410 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 10 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf der Fläche 414 des Substrats 412 sind die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 vorgesehen. The quantum dot 432 tunnels, provided it has the same spin as the quantum dot 450 now removed for initialization, into the first static potential well 46 of the double potential well 434. A sensor element not shown here would therefore not detect any change in charge. If the quantum mechanical states of the quantum dot 450 and 432 are different, a change in charge can be detected. The exchange by tunneling is symbolized with arrow 460. 15 shows, in section, a further exemplary embodiment for the electronic component 410 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure. The structures of the component 410 are preferably in a nanoscale dimension. Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410. The electronic component 10 is designed in such a way that it contains a two-dimensional electron gas (2DEG). Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on surface 414 of substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnung 416 weist auch hier die zwei Gatterelektroden 420, 422 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 420, 422 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 24 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418, sind dazu schichtweise vorgesehen, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 420, 422 jeweils die Isolierschicht 424 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 420, 422 umfassen weiterhin Elektrodenfinger 426, 428, die parallel zueinander auf der Fläche 414 des Substrats 412 angeordnet sind. The gate electrode arrangement 416 also has the two gate electrodes 420, 422 here. The individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 24 in a suitable manner. For this purpose, the gate electrode arrangements 416, 418 are provided in layers, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422. The gate electrodes 420, 422 further comprise electrode fingers 426, 428 which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 420, 422 der Gatterelektrodenanordnungen 416 wird eine Potentialmulde 430 in dem Substrat 412 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde 430 gefangener Quantenpunkt bzw. Ladungsträger lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde 430 wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 426, 428 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt bzw. der Ladungsträger, der in einer solchen Potentialmulde 430 quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde 430 über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 412 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. The gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 420, 422 of the gate electrode arrangements 416, a potential well 430 is generated in the substrate 412. A quantum dot or charge carrier trapped in this potential well 430 can thus be translated through the substrate. The potential well 430 is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 426, 428 with sinusoidal voltages. The quantum dot or the charge carrier, which is quasi trapped in such a potential well 430, can be translated with this potential well 430 over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
Die Gatterelektrodenanordnung 418 bildet hingegen eine statische Doppelmulde 434 aus. Die Gatterelektrodenanordnung 418 umfasst dafür die Barriere-Gatterelektroden 436, 438, 440 und zwei Pump-Gatterelektrode 442, 444, welche den Quantenpunkt 432, 448, 450, 454 bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen kann. Die Pump-Gatterelektroden 442, 444 sind jeweils zwischen den Barriere-In contrast, the gate electrode arrangement 418 forms a static double trough 434. For this purpose, the gate electrode arrangement 418 comprises the barrier gate electrodes 436, 438, 440 and two pump gate electrodes 442, 444, which the quantum dot 432, 448, 450, 454 or a charge carrier can move or vibrate. The pump gate electrodes 442, 444 are each between the barrier
Gatterelektroden 436, 438, 440 angeordnet. Auch die Gatterelektroden 436, 438, 440, 442, 444 der Gatterelektrodenanordnung 418 sind jeweils durch eine Isolierschicht 424 getrennt. Die Gatterelektroden 436, 438, 440, 442, 444 verfügen jeweils über Elektrodenfinger 437, 439, 441, 443, 445. Die Elektrodenfinger 437, 439, 441, 443, 445 sind in dieser Schnittzeichnung zu sehen. Gate electrodes 436, 438, 440 arranged. The gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 of the gate electrode arrangement 418 are each separated by an insulating layer 424. The gate electrodes 436, 438, 440, 442, 444 each have electrode fingers 437, 439, 441, 443, 445. The electrode fingers 437, 439, 441, 443, 445 can be seen in this sectional drawing.
In dieser Abbildung werden unterhalb der Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 die Verläufe in dem Substrat 412 des elektronischen Bauelements 410 zum Initialisieren eines Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt schematisch dargestellt. Die Abfolgen von A bis D der Verläufe von den Potentialmulden 430, 434 in dem Substrat 412 werden zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 426, 428 der Gatterelektrodenanordnung 416 bilden durch das Substrat 412 die beweglichen Potentialmulden 430 aus. Die Bewegung der Potentialmulden 430 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 426, 428. Die Elektrodenfinger 426, 428 der Gatterelektrodenanordnung 416 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde 442 durch das Substrat 412 bewirken. In this figure, the profiles in the substrate 412 of the electronic component 410 for initializing a quantum state of a qubit in a quantum dot are shown schematically below the gate electrode arrangements 416, 418. The sequences from A to D of the courses from the potential wells 430, 434 in the substrate 412 are shown to explain the function. The electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 form the movable potential wells 430 through the substrate 412. The movement of the potential troughs 430 takes place through the suitable interconnection of the electrode fingers 426, 428. The electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 are interconnected periodically alternating, which cause an almost continuous movement of the potential trough 442 through the substrate 412.
Mittels der Gatterelektroden 436, 438, 440 und 442, 444 wird zum einen die statische Doppelpotentialmulde 434 erzeugt und zum anderen mit den Gatterelektroden 420, 422 die bewegliche Potentialmulde 430. In die erste Potentialmulde 446 der statischen Doppelpotentialmulde 434 werden zwei Ladungsträger 448 aus dem Reservoir 449 eingebracht. Die Ladungsträger 448 werden mit dem Stimulator 451, der die Pump- Gatterelektroden 442, 444 umfasst, aufgespalten und ausgerichtet, z.B. mit Hilfe eines Gradientenmagnetfelds. Der abgespaltene Quantenpunkt Ladungsträger 450 tunnelt quantenmechanisch in die zweite statische Potentialmulde 452 der Doppelpotentialmulde 434, was mit Pfeil 453 angedeutet wird. In der ersten statischen Potentialmulde 446 verbleibt nur noch der Quantenpunkt Ladungsträger 454. Die Quantenzustände der Quantenpunkte 450, 454 in den Potentialmulden 446, 452 sind durch die Ausrichtung eines angelegten Gradientenmagnetfelds bekannt. By means of the gate electrodes 436, 438, 440 and 442, 444, on the one hand, the static double potential well 434 is generated and, on the other hand, with the gate electrodes 420, 422, the movable potential well 430. In the first potential well 446 of the static double potential well 434, two charge carriers 448 are from the reservoir 449 introduced. The charge carriers 448 are split up and aligned with the stimulator 451, which comprises the pump gate electrodes 442, 444, for example with the aid of a gradient magnetic field. The split-off quantum dot charge carrier 450 tunnels quantum mechanically into the second static potential well 452 of the double potential well 434, which is indicated by arrow 453. Only the quantum dot charge carrier 454 remains in the first static potential well 446 Quantum states of the quantum dots 450, 454 in the potential wells 446, 452 are known from the alignment of an applied gradient magnetic field.
Die bewegliche Potentialmulde 430 wird an die zweite Potentialmulde 452 der statischen Doppelmulde 434 herangeführt. The movable potential well 430 is brought up to the second potential well 452 of the static double well 434.
Durch Tunneln, Pfeil 453, gelangt der Ladungsträger 450 von der statischen Potentialmulde 452 in die bewegliche Potentialmulde 430. Der Quantenpunkt 450 kann nun mit der beweglichen Potentialmulde 430 weggeführt werden, Pfeil 458. Der quantenmechanische Zustand des Quantenpunkts 450 ist bekannt, wodurch sich ein Qubit beispielsweise initialisieren lässt. By tunneling, arrow 453, the charge carrier 450 passes from the static potential well 452 into the movable potential well 430. The quantum dot 450 can now be led away with the movable potential well 430, arrow 458. The quantum mechanical state of the quantum dot 450 is known, which creates a qubit for example can be initialized.
In Fig. 16 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäßes elektronische Bauelement 410 dargestellt, welches wieder aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 412 für das elektronische Bauelement 410 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 410 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf der Fläche 414 des Substrats 412 sind die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 vorgesehen. 16 shows a further exemplary embodiment for the electronic component 410 according to the invention, which is again formed from a semiconductor heterostructure. The structures of the component are preferably in a nanoscale dimension. Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410. The electronic component 410 is configured to contain a two-dimensional electron gas (2DEG). Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on surface 414 of substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnung 416, weist zwei Gatterelektroden 420, 422 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 420, 422 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 424 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektroden 420, 422 der Gatterelektrodenanordnung 416 sind dazu schichtweise vorgesehen, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 420, 422 der Gatterelektrodenanordnung 416 die Isolierschicht 424 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 420, 422 umfassen weiterhin die Elektrodenfinger 426, 428, die parallel zueinander auf der Fläche 414 des Substrats 412 angeordnet sind. The gate electrode arrangement 416 has two gate electrodes 420, 422. The individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 424 in a suitable manner. The gate electrodes 420, 422 of the gate electrode arrangement 416 are provided in layers for this purpose, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422 of the gate electrode arrangement 416. The gate electrodes 420, 422 further comprise the electrode fingers 426, 428, which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 420, 422 der Gatterelektrodenanordnung 416 wird eine bewegliche Potentialmulde in dem Substrat 412 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde gefangener Quantenpunkt 442 bzw. Ladungsträger lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 426, 428 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt 442, der in einer solchen Potentialmulde quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 412 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. The gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitable application of sinusoidal With voltages applied to the gate electrodes 420, 422 of the gate electrode arrangement 416, a movable potential well is generated in the substrate 412. A quantum dot 442 or charge carrier trapped in this potential well can thus be translated through the substrate. The potential well is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 426, 428 with sinusoidal voltages. The quantum dot 442, which is quasi trapped in such a potential well, can be translated with this potential well over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
Die Gatterelektrodenanordnung 418 bildet eine statische Potentialmulde aus. Die Gatterelektrodenanordnung 418 umfasst dafür die Barriere-Gatterelektroden 36, 40 und neben der Pump-Gatterelektrode 442, welche einen Quantenpunkt bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen kann. Die Pump-Gatterelektrode 442 ist zwischen den Barriere-Gatterelektroden 436 und 440 angeordnet. Die Gatterelektroden 436, 440, 442 verfügen jeweils über Elektrodenfinger 437, 441, 443. The gate electrode arrangement 418 forms a static potential well. For this purpose, the gate electrode arrangement 418 comprises the barrier gate electrodes 36, 40 and, in addition to the pump gate electrode 442, which can set a quantum dot or a charge carrier in motion or oscillation. Pump gate electrode 442 is disposed between barrier gate electrodes 436 and 440. The gate electrodes 436, 440, 442 have electrode fingers 437, 441, 443, respectively.
An die Barriere-Gatterelektrodenanordnung 418 schließt das Reservoir 449 zum Einbringen von Ladungsänderungen an. The reservoir 449 for introducing changes in charge connects to the barrier gate electrode arrangement 418.
Die Fig. 17 zeigt im Schnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße elektronische Bauelement 410, welches aus einer Halbleiter-Heterostruktur gebildet ist. Die Strukturen des Bauelements 410 liegen vorzugsweise in einer nanoskaligen Dimension. Als Substrat 412 für das elektronische Bauelement 410 wird undotiertes Siliziumgermanium (SiGe) eingesetzt. Das elektronische Bauelement 410 ist so ausgestaltet, dass es ein zweidimensionales Elektronengas (2DEG) enthält. Auf der Fläche 414 des Substrats 412 sind die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 vorgesehen. FIG. 17 shows in section a further exemplary embodiment for the electronic component 410 according to the invention, which is formed from a semiconductor heterostructure. The structures of the component 410 are preferably in a nanoscale dimension. Undoped silicon germanium (SiGe) is used as the substrate 412 for the electronic component 410. The electronic component 410 is configured to contain a two-dimensional electron gas (2DEG). Gate electrode assemblies 416, 418 are provided on surface 414 of substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnung 416 weist auch hier die zwei Gatterelektroden 420, 422 auf. Die einzelnen Gatterelektroden 420, 422 sind in geeigneter Weise mit Isolierschichten 424 elektrisch voneinander getrennt. Die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418, sind dazu schichtweise vorgesehen, wobei zwischen jeder Gatterelektrode 420, 422 jeweils die Isolierschicht 424 vorgesehen ist. Die Gatterelektroden 420, 422 umfassen weiterhin Elektrodenfinger 426, 428, die parallel zueinander auf der Fläche 414 des Substrats 412 angeordnet sind. The gate electrode arrangement 416 also has the two gate electrodes 420, 422 here. The individual gate electrodes 420, 422 are electrically isolated from one another by means of insulating layers 424 in a suitable manner. The gate electrode assemblies 416, 418 are provided in layers for this purpose, the insulating layer 424 being provided between each gate electrode 420, 422. The gate electrodes 420, 422 further comprise electrode fingers 426, 428 which are arranged parallel to one another on the surface 414 of the substrate 412.
Die Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 werden über elektrische Anschlüsse mit geeigneter Spannung versorgt. Durch geeignetes Anlegen von sinusförmig verlaufenden Spannungen an die Gatterelektroden 420, 422 der Gatterelektrodenanordnungen 416 wird eine Potentialmulde 430 in dem Substrat 412 erzeugt. Ein in dieser Potentialmulde 430 gefangener Quantenpunkt bzw. Ladungsträger lässt sich so durch das Substrat translatieren. Die Potentialmulde 430 wird durch die geeignete Ansteuerung der Elektrodenfinger 426, 428 mit Sinusspannungen längs durch das Substrat translatiert. Der Quantenpunkt bzw. der Ladungsträger, der in einer solchen Potentialmulde 430 quasi gefangen ist, lässt sich mit dieser Potentialmulde 430 über eine längere Distanz in dem zweidimensionalen Elektronengas des Substrats 412 aus SiGe translatieren, ohne eine quantenmechanische Zustandsänderung zu erfahren. The gate electrode arrangements 416, 418 are supplied with a suitable voltage via electrical connections. By suitably applying sinusoidal voltages to the gate electrodes 420, 422 of the gate electrode arrangements 416, a potential well 430 is generated in the substrate 412. A quantum dot or charge carrier trapped in this potential well 430 can thus be translated through the substrate. The potential well 430 is translated longitudinally through the substrate by suitable control of the electrode fingers 426, 428 with sinusoidal voltages. The quantum dot or the charge carrier, which is quasi trapped in such a potential well 430, can be translated with this potential well 430 over a longer distance in the two-dimensional electron gas of the SiGe substrate 412 without experiencing a quantum mechanical change in state.
Die Gatterelektrodenanordnung 418 bildet hingegen eine statische Potentialmulde 470 aus. Die Gatterelektrodenanordnung 418 umfasst dafür die Barriere-Gatterelektroden 436, 440 und eine Pump-Gatterelektrode 442, welche den Quantenpunkt 48 bzw. einen Ladungsträger in Bewegung oder Schwingung versetzen kann. Die Pump-Gatterelektrode 442 ist zwischen den Barriere-Gatterelektroden 436, 440 angeordnet. Auch die Gatterelektroden 436, 440, 442 der Gatterelektrodenanordnung 418 sind jeweils durch eine Isolierschicht 424 getrennt. Die Gatterelektroden 436, 440, 442 verfügen jeweils über Elektrodenfinger 437, 441, 443. Die Elektrodenfinger 437, 441, 443 sind in dieser Schnittzeichnung zu sehen. In contrast, the gate electrode arrangement 418 forms a static potential well 470. For this purpose, the gate electrode arrangement 418 comprises the barrier gate electrodes 436, 440 and a pump gate electrode 442, which can set the quantum dot 48 or a charge carrier in motion or oscillation. The pump gate electrode 442 is arranged between the barrier gate electrodes 436, 440. The gate electrodes 436, 440, 442 of the gate electrode arrangement 418 are each separated by an insulating layer 424. The gate electrodes 436, 440, 442 each have electrode fingers 437, 441, 443. The electrode fingers 437, 441, 443 can be seen in this sectional drawing.
In dieser Abbildung werden unterhalb der Gatterelektrodenanordnungen 416, 418 die Verläufe in dem Substrat 412 des elektronischen Bauelements 410 zum Initialisieren eines Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt schematisch dargestellt. Die Abfolgen von A bis D der Verläufe von den Potentialmulden 430, 470 in dem Substrat 412 werden zur Funktionserläuterung dargestellt. Die Elektrodenfinger 426, 428 der Gatterelektrodenanordnung 416 bilden durch das Substrat 412 die beweglichen Potentialmulden 430 aus. Die Bewegung der Potentialmulden 430 erfolgt dabei durch die geeignete Verschaltung der Elektrodenfinger 426, 428. Die Elektrodenfinger 426, 428 der Gatterelektrodenanordnung 416 sind dazu periodisch alternierend zusammengeschaltet, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde 442 durch das Substrat 412 bewirken. In this figure, the profiles in the substrate 412 of the electronic component 410 for initializing a quantum state of a qubit in a quantum dot are shown schematically below the gate electrode arrangements 416, 418. The sequences from A to D of the courses from the potential wells 430, 470 in the substrate 412 are shown to explain the function. The electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 form the movable potential wells 430 through the substrate 412. The movement of the potential troughs 430 takes place through the suitable interconnection of the electrode fingers 426, 428. The electrode fingers 426, 428 of the gate electrode arrangement 416 are interconnected periodically alternating, which cause an almost continuous movement of the potential trough 442 through the substrate 412.
Mittels der Gatterelektroden 436, 440 und 442 wird zum einen die statische Potentialmulde 470 erzeugt und zum anderen mit den Gatterelektroden 420, 422 die bewegliche Potentialmulde 430. In die Potentialmulde 470 werden zwei Ladungsträger 448 aus dem Reservoir 449 eingebracht. Die Ladungsträger 448 werden mit dem Stimulator 451 aufgespalten und ausgerichtete, z.B. mit Hilfe eines Gradientenmagnetfelds. Der abgespaltene Ladungsträger 450 tunnelt quantenmechanisch in die bewegliche Potentialmulde 430, was mit Pfeil 453 angedeutet wird. In der statischen Potentialmulde 470 verbleibt nur noch der Ladungsträger 454. Die Quantenzustände der Quantenpunkte 450, 454 in den Potentialmulden 470, 430 sind durch die Ausrichtung eines angelegten Gradientenmagnetfelds bekannt. By means of the gate electrodes 436, 440 and 442, on the one hand the static potential well 470 is generated and on the other hand the movable potential well 430 is generated with the gate electrodes 420, 422. Two charge carriers 448 from the reservoir 449 are introduced into the potential well 470. The charge carriers 448 are split up and aligned with the stimulator 451, for example with the aid of a gradient magnetic field. The split-off charge carrier 450 tunnels quantum mechanically into the movable potential well 430, which is indicated by arrow 453. Only the charge carrier 454 remains in the static potential well 470. The quantum states of the quantum dots 450, 454 in the potential wells 470, 430 are known from the alignment of an applied gradient magnetic field.
Der Quantenpunkt 450 kann nun mit der beweglichen Potentialmulde 430 weggeführt werden, Pfeil 458. Der quantenmechanische Zustand des Quantenpunkts 450 ist bekannt, wodurch sich ein Qubit beispielsweise initialisieren lässt. The quantum dot 450 can now be led away with the movable potential well 430, arrow 458. The quantum mechanical state of the quantum dot 450 is known, which means that a qubit can be initialized, for example.
138 Elektrodenfinger138 electrode fingers
Bezugszeichenliste 140 Kreuzungsbereich 142 Barriere-GatterelektrodeLIST OF REFERENCE NUMERALS 140 crossing area 142 barrier gate electrode
10 Struktur-Bauelement 144 Barriere-Gatterelektrode10 structure component 144 barrier gate electrode
12 Substrat 146 Pump-Gatterelektrode12 substrate 146 pump gate electrode
14 Fläche 148 Barriere-Gatterelektrode14 area 148 barrier gate electrode
16 Funktionselement 150 Bewegliche Potentialmulde16 Functional element 150 Movable potential well
(Translation) 152 Quantenpunkt (Translation) 152 quantum dot
18 Funktionselement 154 Pfeil 18 Functional element 154 arrow
(Abzweigung) 210 Elektronisches Bauelement(Junction) 210 Electronic component
20 Funktionselement 212 Substrat20 functional element 212 substrate
(Manipulation) 214 Fläche (Manipulation) 214 surface
22 Funktionselement (Auslesen) 216 Gatterelektrodenanordnung22 Functional element (read out) 216 Gate electrode arrangement
24 Funktionselement 218 Gatterelektrodenanordnung24 Functional element 218 Gate electrode arrangement
(Initialisieren) 220 Gatterelektrode (Initialize) 220 gate electrode
26 Einheitszelle 222 Gatterelektrode 26 unit cell 222 gate electrode
110 Elektronisches Bauelement 224 Gatterelektrode 112 Substrat 226 Gatterelektrode 110 Electronic component 224 Gate electrode 112 Substrate 226 Gate electrode
114 Fläche 227 Isolierschicht 114 surface 227 insulating layer
116 Gatterelektrodenanordnung 228 Elektrodenfinger 116 gate electrode assembly 228 electrode fingers
118 Gatterelektrodenanordnung 230 Elektrodenfinger 118 gate electrode assembly 230 electrode fingers
120 Gatterelektrodenanordnung 232 Elektrodenfinger 120 gate electrode assembly 232 electrode fingers
122 Gatterelektroden 234 Elektrodenfinger 122 gate electrodes 234 electrode fingers
124 Gatterelektroden 236 Angrenzender Bereich124 Gate Electrodes 236 Adjacent Area
126 Gatterelektroden 238 Manipulationszone126 gate electrodes 238 manipulation zone
128 Gatterelektroden 239 Manipulator 128 gate electrodes 239 manipulator
130 Isolierschichten 240 Gatterelektrodenanordnung130 insulating layers 240 gate electrode assembly
132 Elektrodenfinger 242 Barriere-Gatterelektroden132 electrode fingers 242 barrier gate electrodes
134 Elektrodenfinger 244 Barriere-Gatterelektroden134 electrode fingers 244 barrier gate electrodes
136 Elektrodenfinger 246 Barriere-Gatterelektroden Pump-Gatterelektroden 358 Ladungsträger Pump-Gatterelektroden 360 Abgespaltener Quantenpunkt Quantenpunkt 362 Doppelpotentialmulde Quantenpunkt 364 erste stat. Potentialmulde Bewegliche Potentialmulde 366 zweite stat. Potentialmulde Bewegliche Potentialmulde Statische Doppelmulde 410 Elektronisches Bauelement Waagerechte Pfeile 412 Substrat 414 Fläche Elektronisches Bauelement 416 Gatterelektrodenanordnung Substrat 418 Gatterelektrodenanordnung Fläche 420 Gatterelektrode Gatterelektrodenanordnung 422 Gatterelektrode Gatterelektrodenanordnung 424 Isolierschichten Gatterelektroden 426 Elektrodenfinger Gatterelektroden 428 Elektrodenfinger Isolierschicht 430 Potentialmulde Elektrodenfinger 432 Quantenpunkt Elektrodenfinger 434 statische Barriere-Gatterelektrode Doppelpotentialmulde Barriere-Gatterelektrode 436 Barriere-Gatterelektrode Pump-Gatterelektrode 437 Elektrodenfinger Sensorelement 438 Barriere-Gatterelektrode Barriere-Gatterelektroden 439 Elektrodenfinger Pump-Gatterelektrode 440 Barriere-Gatterelektrode Quantenpunkt 441 Elektrodenfinger Quantenpunkt 442 Pump-Gatterelektrode Bewegte Potentialmulde 443 Elektrodenfinger Statische Potentialmulde 444 Pump-Gatterelektrode Pfeil (Translation) 445 Elektrodenfinger Pfeil (Tunneln) 446 1. statische Potentialmulde Ladungsträger 454 Verbleibender Quantenpunkt Reservoir 458 Pfeil (Translation) abgespaltener Quantenpunkt 460 Pfeil Stimulator (Austausch Wechsel Wirkung) 2. statische Potentialmulde 470 Potentialmulde Pfeil (Tunneln) 136 electrode fingers 246 barrier gate electrodes Pump gate electrodes 358 Charge carriers Pump gate electrodes 360 Split quantum dot Quantum dot 362 Double potential well Quantum dot 364 First stat. Potential well Movable potential well 366 second stat. Potential trough Movable potential trough Static double trough 410 Electronic component Horizontal arrows 412 Substrate 414 Area of electronic component 416 Gate electrode arrangement Substrate 418 Gate electrode arrangement Area 420 Gate electrode Gate electrode arrangement 422 Gate electrode Gate electrode arrangement 424 Insulating layers Gate electrodes 426 Electrode finger Electrodes 430 Gate electrode 436 Barrier gate electrode Pump gate electrode 437 Electrode finger Sensor element 438 Barrier gate electrode Barrier gate electrode 439 Electrode finger Pump gate electrode 440 Barrier gate electrode Quantum dot 441 Electrode finger Quantum dot 442 Pump gate electrode Moving potential well 443 Electrode finger 444 Pump potential well electrode 445 el Electrode finger arrow (tunneling) 446 1st static potential well Charge carrier 454 Remaining quantum dot reservoir 458 arrow (translation) split-off quantum dot 460 arrow stimulator (exchange change effect) 2nd static potential well 470 potential well arrow (tunneling)

Claims

Patentansprüche Claims
1. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers, welches von einem Halbleiterbauelement oder einer halbleiterähnlichen Struktur gebildet wird, umfassend a) ein Substrat (12) mit einem zweidimensionalen Elektronengas oder Elektronenlochgas; b) Gatterelektrodenanordnungen (116, 118, 120) mit Gatterelektroden (122, 124, 126, 128), welche an einer Fläche (14) des elektronischen Struktur- Bauelements (10, 110, 210, 310, 410) angeordnet sind; c) elektrische Kontakte zum Verbinden der Gatterelektrodenanordnungen (116, 118, 120) mit Spannungsquellen; d) Gatterelektroden (122, 124, 126, 128) der Gatterelektrodenanordnungen (116, 118, 120) parallel verlaufende Elektrodenfinger (132, 134, 136, 138) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass e) die logischen Verschaltungen Funktionsbauelemente (16, 18, 20, 22, 24) mit Gatterelektrodenanordnungen (116, 118, 120) zur Erzeugung von statischen (260, 364, 366) und/oder bewegten Potentialmulden (256, 258) und/oder Potenzialbarrieren (142, 144) zum Verarbeiten von Quantenpunkten (152, 342, 344) in dem Substrat (12) aufweisen. 1. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer, which is formed by a semiconductor component or a semiconductor-like structure, comprising a) a substrate (12) with a two-dimensional electron gas or electron hole gas ; b) gate electrode arrangements (116, 118, 120) with gate electrodes (122, 124, 126, 128) which are arranged on a surface (14) of the electronic structural component (10, 110, 210, 310, 410); c) electrical contacts for connecting the gate electrode assemblies (116, 118, 120) to voltage sources; d) gate electrodes (122, 124, 126, 128) of the gate electrode arrangements (116, 118, 120) have parallel electrode fingers (132, 134, 136, 138), characterized in that e) the logical interconnections of functional components (16, 18, 20, 22, 24) with gate electrode arrangements (116, 118, 120) for generating static (260, 364, 366) and / or moving potential wells (256, 258) and / or potential barriers (142, 144) for processing quantum dots ( 152, 342, 344) in the substrate (12).
2. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionselement (16) zum Bewegen eines Quantenpunkts (152, 342, 344) in dem Substrat (12) vorgesehen ist. 2. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to claim 1, characterized in that a functional element (16) for moving a quantum dot (152, 342, 344) in the Substrate (12) is provided.
3. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische3. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical
Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gatterelektrodenanordnung (116, 118, 120) mitInterconnections of qubits of a quantum computer according to Claim 2, characterized in that a gate electrode arrangement (116, 118, 120) with
Gatterelektroden (122, 124, 126, 128) vorgesehen ist, deren Elektrodenfinger (132, 134, 136, 138) periodisch alternierend zusammengeschaltet sind, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde (256, 258) durch das Substrat (12) bewirkt, wobei ein Quantenpunkt (152, 342, 344) mit dieser Potentialmulde (256, 258) translatiert wird. Gate electrodes (122, 124, 126, 128) are provided, the electrode fingers (132, 134, 136, 138) of which are interconnected periodically alternating, which causes an almost continuous movement of the potential well (256, 258) through the substrate (12), wherein a quantum dot (152, 342, 344) is translated with this potential well (256, 258).
4. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionselement (18) zum Abzweigen der Bewegung eines Quantenpunkts (152, 342, 344) vorgesehen ist. 4. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of claims 2 or 3, characterized in that a functional element (18) for branching off the movement of a quantum dot (152, 342, 344) is provided.
5. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch das Funktionselement (18) zum Abzweigen umfassend: a) eine erste und eine zweite abzweigende Gatterelektrodenanordnung (116, 118) mit Gatterelektroden unterschiedlicher Richtung vorgesehen sind, b) die Elektrodenfinger (132, 134) der Gatterelektroden (122, 124) periodisch alternierend zusammengeschaltet sind, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde (150) durch das Substrat (12) bewirken, wobei i. ein Quantenpunkt (152) mit der Potentialmulde (150) der ersten Gatterelektrodenanordnung (116) in eine Richtung translatiert wird, und ii. der Quantenpunkt (152) mit der Potentialmulde (150) in der zweiten abzweigenden Gatterelektrodenanordnung (118) mit geänderter Fortbewegungsrichtung bewegbar ist. 5. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to claim 4, characterized by the functional element (18) for branching comprising: a) a first and a second branching gate electrode arrangement (116 , 118) are provided with gate electrodes in different directions, b) the electrode fingers (132, 134) of the gate electrodes (122, 124) are periodically alternately interconnected, which cause an almost continuous movement of the potential well (150) through the substrate (12), wherein i. a quantum dot (152) is translated in one direction with the potential well (150) of the first gate electrode arrangement (116), and ii. the quantum dot (152) with the potential well (150) in the second branching gate electrode arrangement (118) can be moved with a changed direction of movement.
6. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Gatterelektrodenanordnung (120) zum Erzeugen einer zuschaltbaren Potentialbarrieren-Anordnung (142, 144) im Bereich der Abzweigung (140) vorgesehen ist, welche zum Abzweigen des Quantenpunkts (152) zugeschaltet wird. 6. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to claim 5, characterized in that a third gate electrode arrangement (120) for generating a switchable potential barrier arrangement (142, 144) is provided in the area of the branch (140) which is switched on for branching off the quantum dot (152).
7. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionselement (20) zum Manipulieren von Qubits in Quantenpunkten (252, 254) vorgesehen ist. 7. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of claims 1 to 6, characterized in that a functional element (20) for manipulating qubits in quantum dots (252, 254) is provided.
8. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (20) einen Manipulator (239) enthält, der in einer Manipulationszone (238) das Qubit des Quantenpunkts in einen definierbaren Quantenzustand versetzt, wobei die Manipulationszone (338) in dem angrenzenden Bereich (236), der durch die erste und zweite Gatterelektrodenanordnung (216, 240) gebildet wird, vorgesehen ist. 8. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to claim 7, characterized in that the functional element (20) contains a manipulator (239) which is in a manipulation zone (238 ) the qubit of the quantum dot is placed in a definable quantum state, the manipulation zone (338) being provided in the adjoining area (236) which is formed by the first and second gate electrode arrangements (216, 240).
9. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche9. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of the claims
7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel für ein zuschaltbares Magnetfeld zur Aufspaltung der elektronischen Zustände hinsichtlich ihrer quantenmechanischen Zustände in den Quantenpunkten (252, 254) vorgesehen sind. 7 or 8, characterized in that means are provided for a switchable magnetic field for splitting the electronic states with regard to their quantum mechanical states in the quantum dots (252, 254).
10. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche10. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of the claims
8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator (239) Mittel zur Erzeugung eines oszillierenden Magnetfelds bzw. zusätzlich eines Gradientenmagnetfelds in der Manipulationszone (238) enthält. 8 to 10, characterized in that the manipulator (239) contains means for generating an oscillating magnetic field or, in addition, a gradient magnetic field in the manipulation zone (238).
11. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Manipulator (239) einen Mikrowellengenerator enthält, der Mikrowellen in die Manipulationszone (238) zur Manipulation des Quantenzustands des Quantenpunkts (252,254) einstrahlt. 11. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of claims 8 to 10, characterized in that the manipulator (239) contains a microwave generator, the microwaves in the manipulation zone (238) to manipulate the quantum state of the quantum dot (252,254).
12. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionselement (22) zum Auslesen des Quantenzustands eines Qubits in einem Quantenpunkt (342) vorgesehen ist. 12. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of claims 1 to 10, characterized in that a functional element (22) for reading out the quantum state of a qubit in a quantum dot (342) is provided.
13. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Gatterelektroden (320, 322) der Gatterelektrodenanordnungen (316, 318) parallel verlaufende Elektrodenfinger (326, 328) aufweisen, wobei i. bei einer ersten Gatterelektrodenanordnung (316) die13. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to claim 11, characterized in that a) the gate electrodes (320, 322) of the gate electrode arrangements (316, 318) run in parallel Have electrode fingers (326, 328), i. in a first gate electrode arrangement (316), the
Elektrodenfinger (326, 328) periodisch alternierend zusammengeschaltet sind, welche eine nahezu kontinuierliche Bewegung der Potentialmulde (346) durch das Substrat (312) bewirkt, wobei ein erster Quantenpunkt (342) mit dieser Potentialmulde (346) translatiert wird, und ii. die Elektrodenfinger einer zweiten Gatterelektrodenanordnung (318) eine statische Potentialmulde (348, 362) bilden, in der ein zweiter Ladungsträger (358) mit bekanntem quantenmechanischem Zustand vorgesehen ist, b) ein Sensorelement (336) zum Detektieren von Änderungen der Ladung vorgesehen ist, welches die Ladung in der statischen Potentialmulde (348, 362) erfasst, wobei der erste Quantenpunkt (342) zum zweiten Quantenpunkt (344) translatiert wird. Electrode fingers (326, 328) are periodically alternately interconnected, which causes an almost continuous movement of the potential well (346) through the substrate (312), a first quantum dot (342) being translated with this potential well (346), and ii. the electrode fingers of a second gate electrode arrangement (318) form a static potential well (348, 362) in which a second charge carrier (358) with a known quantum mechanical state is provided, b) a sensor element (336) for detecting changes in the charge is provided, which the charge in the static potential well (348, 362) is detected, the first quantum dot (342) being translated to the second quantum dot (344).
14. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Magnetfeldgenerator zur Erzeugung eines Gradientenmagnetfelds zur Initialisierung des quantenmechanischen Zustands des Quantenpunkts der statischen Potentialmulde (348, 362) vorgesehen ist. 14. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of claims 12 or 13, characterized in that a magnetic field generator for generating a gradient magnetic field to initialize the quantum mechanical state of the quantum dot static potential well (348, 362) is provided.
15. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gatterelektrodenanordnung (318) zwei weitere Gatterelektroden (338, 340) umfasst, die gemeinsam eine statische Doppelpotentialmulde (362) ausbilden, wobei jede der statischen Potentialmulden (364, 366) jeweils einen Quantenpunkt (344, 360) mit unterschiedlichen quantenmechanischen Zuständen aufweist 15. Electronic structural component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of claims 12 to 14, characterized in that the second gate electrode arrangement (318) has two further gate electrodes (338, 340) which together form a static double potential well (362), each of the static potential wells (364, 366) each having a quantum dot (344, 360) with different quantum mechanical states
16. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Funktionselement (24) zum Initialisieren des Quantenzustands eines Quantenpunkts vorgesehen ist. 16. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of claims 1 to 15, characterized in that a functional element (24) is provided for initializing the quantum state of a quantum dot.
17. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement (24) zum Initialisieren des Quantenzustands eines Quantenpunkts umfasst: a) ein Reservoir (449), welches als Spender für Ladungsträger (448) vorgesehen ist; b) die Gatterelektroden (420, 422, 436, 438, 440, 442, 444) der17. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to claim 14, characterized in that the functional element (24) for initializing the quantum state of a quantum dot comprises: a) a reservoir ( 449), which is provided as a dispenser for load carriers (448); b) the gate electrodes (420, 422, 436, 438, 440, 442, 444) of the
Gatterelektrodenanordnungen (416, 418) parallel verlaufendeGate electrode assemblies (416, 418) running parallel
Elektrodenfinger (426, 428, 437, 439, 441, 443, 445) aufweisen, wobei i. die Gatterelektroden (436, 438, 440, 442, 444) einer ersten Gatterelektrodenanordnungen (418) in dem Substrat (412) eine statische Doppelpotentialmulde (434) oder die Gatterelektroden (436, 440, 442) einer ersten Gatterelektrodenanordnungen (418) in dem Substrat (412) eine statische Potentialmulde (470) bilden, in der Ladungsträger (448) aus dem Reservoir (449) in die Quantenpunkte (450, 454) eingebracht sind; ii. die Gatterelektroden (420, 422) einer zweitenHave electrode fingers (426, 428, 437, 439, 441, 443, 445), i. the gate electrodes (436, 438, 440, 442, 444) of a first gate electrode arrangement (418) in the substrate (412) static double potential well (434) or the gate electrodes (436, 440, 442) of a first gate electrode arrangement (418) in the substrate (412) form a static potential well (470) in which charge carriers (448) from the reservoir (449) into the quantum dots (450, 454) are introduced; ii. the gate electrodes (420, 422) of a second
Gatterelektrodenanordnungen (416) eine in dem Substrat (412) bewegbare Potentialmulde (430) bilden, wobei ein Ladungsträger (450) mit seinem quantenmechanischen Zustand mit dieser Potentialmulde (430) translatierbar ist; c) Mittel zum Übertragen von zwei Ladungsträgern (48) aus dem Reservoir (449) in die statische Potentialmulde (434, 446, 470); d) einen Stimulator (451) zur Ausrichtung bzw. Aufspaltung der Quantenpunkte (448, 450, 454); e) Mittel zum Übertragen eines Ladungsträgers aus der statischen Potentialmulde (434, 452, 470) in die bewegbare Potentialmulde (430). Gate electrode arrangements (416) form a potential well (430) movable in the substrate (412), a charge carrier (450) with its quantum mechanical state being translatable with this potential well (430); c) means for transferring two charge carriers (48) from the reservoir (449) into the static potential well (434, 446, 470); d) a stimulator (451) for aligning or splitting the quantum dots (448, 450, 454); e) Means for transferring a charge carrier from the static potential well (434, 452, 470) into the movable potential well (430).
18. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) für logische Verschaltungen von Qubits eines Quantencomputers nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Stimulator (451) als Magnet ausgebildet ist, der ein Gradientenmagnetfeld zur Initialisierung der quantenmechanischen Zustände in den beiden Quantenpunkten (432, 450, 454) in der Potentialmulde (434, 470) erzeugt 18. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) for logical interconnections of qubits of a quantum computer according to one of claims 16 or 17, characterized in that the stimulator (451) is designed as a magnet that generates a gradient magnetic field Initialization of the quantum mechanical states in the two quantum dots (432, 450, 454) in the potential well (434, 470)
19. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) des elektronischen Bauelements Galliumaresnid (GaAs) und/oder Silizumgermanium (SiGe) enthält. 19. Electronic structure component (10, 110, 210, 310, 410) according to one of claims 1 to 18, characterized in that the substrate (12) of the electronic component contains gallium aresnide (GaAs) and / or silicon germanium (SiGe).
20. Elektronisches Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der20. Electronic structural component (10, 110, 210, 310, 410) according to one of the
Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils zusammengeschalteten Gatterelektroden (256, 258) für die bewegteClaims 1 to 16, characterized in that the respectively interconnected gate electrodes (256, 258) for the moving
Potentialmulde periodisch und/oder phasenverschoben mit Spannung beaufschlagbar ausgebildet sind. Potential troughs are designed so that voltage can be applied periodically and / or out of phase.
21. Elektronisches B Struktur-Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils jeder dritte Elektrodenfinger (132, 134, 136, 138) bei einer Gatterelektrode (122, 124, 126, 128) für die bewegbare Potentialmulde zusammengeschaltet ist. 21. Electronic B structure component (10, 110, 210, 310, 410) according to one of claims 1 to 17, characterized in that in each case every third electrode finger (132, 134, 136, 138) in the case of a gate electrode (122, 124 , 126, 128) is interconnected for the movable potential well.
22. Elektronisches Bauelement (10, 110, 210, 310, 410) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass Verbindungsmittel zum Verbinden mit einem Qubit eines Quantencomputers vorgesehen sind. 22. Electronic component (10, 110, 210, 310, 410) according to one of claims 1 to 18, characterized in that connecting means are provided for connecting to a qubit of a quantum computer.
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