النانوية من بوابة المعرفة الغاليوم / AlGaAs الجانبي نقاط الكم
Summary
وتعرض هذه الورقة على بروتوكول تلفيق مفصلة لبوابة المعرفة من قبل أشباه الموصلات النقاط الكمومية الجانبية على heterostructures الغاليوم. وتستخدم هذه الأجهزة النانومترية الحجم إلى اعتراض بعض الإلكترونات للاستخدام كما بت الكم في معالجة المعلومات الكمومية أو لإجراء التجارب جرحشاعثزرحشرتاد أخرى مثل قياسات تصرف متماسك.
Abstract
كمبيوتر الكم هو جهاز كمبيوتر يتكون من بت الكم (المكدسة) أن يستفيد من آثار الكم، مثل تراكب من الدول وتشابك، من أجل حل بعض المشاكل أضعافا مضاعفة أسرع من أفضل الخوارزميات المعروفة على جهاز كمبيوتر الكلاسيكية. بوابة المعرفة من نقاط الكم الوحشي على الغاليوم / AlGaAs هي واحدة من العديد من السبل لاستكشاف تنفيذ و qubit. عندما ملفقة بشكل صحيح، مثل هذا الجهاز قادر على اعتراض عدد قليل من الإلكترونات في منطقة معينة من الفضاء. ويمكن بعد ذلك للولايات تدور هذه الإلكترونات أن تستخدم لتنفيذ المنطقية 0 و 1 من بت الكم. نظرا لحجم النانومتر من هذه النقاط الكمومية، مرافق غرف الأبحاث التي تقدم المعدات المتخصصة مثل المسح الضوئي والمجاهر الإلكترونية والبريد شعاع تبخر أنها لازمة لتصنيع بهم. يجب توخي الحذر الشديد في جميع مراحل عملية التصنيع للحفاظ على نظافة سطح العينة وإلى تجنب إتلاف بوابات الهشة للهيكل. هذه الورقةويقدم البروتوكول تلفيق مفصلة من بوابة المعرفة من نقاط الكم الجانبي من الرقاقة إلى جهاز العمل. كما ناقش بإيجاز أساليب توصيف وممثل النتائج. على الرغم من أن هذه الورقة تركز على مضاعفة نقاط الكم، عملية تلفيق لا يزال هو نفسه لنقطة واحدة أو ثلاثة أو حتى صفائف من النقاط الكمومية. وعلاوة على ذلك، فإن البروتوكول يمكن تكييفها لافتعال نقاط الكم الوحشي على ركائز أخرى، مثل سي / SiGe.
Introduction
وقد وضعت الكم علم المعلومات على الكثير من الاهتمام من أي وقت مضى منذ أن تبين أن الخوارزميات الكمومية يمكن أن تستخدم في حل بعض المشاكل أضعافا مضاعفة أسرع من أفضل الخوارزميات الكلاسيكية المعروفة 1. مرشح واضح لبت الكم (و qubit) هو دوران إلكترون واحد محصورة في الكم نقطة نظرا لأنه هو نظام من مستويين. وقد اقترحت العديد من أبنية لتنفيذ نقاط الكم، بما في ذلك شبه الموصلة أسلاك 2، 3 أنابيب الكربون النانوية، نقاط الكم الذاتي تجميعها 4، وأشباه الموصلات عمودي 5 و 6 نقاط الكم الجانبي. نقاط الكم الجانبي بوابة المعرفة في الغاليوم / تم heterostructures AlGaAs ناجحة جدا بسبب تعدد استعمالاتها وعملية التصنيع الخاصة بهم هو محور هذه الورقة.
في النقاط الكمومية الجانبية، والحبس من الإلكترونات في اتجاه عمودي على سطح العينة (Z اتجاه) طو يتحقق عن طريق اختيار الركيزة المناسبة. يعرض الغاليوم / AlGaAs heterostructure التحوير مخدر غاز الإلكترون ثنائية الأبعاد (2DEG) تقتصر على واجهة بين AlGaAs وطبقات الغاليوم. وتزرع هذه العينات بواسطة الجزيئية تناضد شعاع للحصول على كثافة منخفضة الشوائب التي، جنبا إلى جنب مع تقنية التضمين المنشطات، يؤدي إلى التنقل الإلكترون عالية في 2DEG. وتظهر التخطيطي لطبقات مختلفة من heterostructure وكذلك هيكل الفرقة في الشكل 1. وهناك حاجة إلى التنقل الإلكترون عالية في 2DEG لضمان تماسك الدول الإلكترونية على سطح كامل من الكم نقطة. تم شراؤها الركيزة المستخدمة في عملية التصنيع هو موضح أدناه من مجلس البحوث الوطني في كندا ويمثل كثافة الإلكترونات من 2.2 × 10 11 سم -2 والتنقل الإلكترون من 1.69 × 10 6 سم 2 / Vsec.
الحبس من الإلكترونات في بارال الاتجاهاتويتحقق الحد الأدنى للانفجار على سطح العينة عن طريق وضع أقطاب معدنية على سطح الركيزة. عندما تترسب هذه الأقطاب على سطح العينة الغاليوم، تتشكل حواجز شوتكي 7. الفولتية السلبية المطبقة على مثل هذه الأقطاب يؤدي إلى الحواجز المحلية في 2DEG أدناه والتي الإلكترونات فقط مع ما يكفي من الطاقة يمكن أن يعبر. استنفاد 2DEG يحدث عند الجهد المطبق هو سلبي يكفي أن الإلكترونات لا يكون ما يكفي من الطاقة لعبور الحاجز. لذلك، عن طريق اختيار بعناية هندسة الأقطاب، فمن الممكن إلى اعتراض عدد صغير من الالكترونات بين المناطق المنضب من العينة. ويمكن تحقيق السيطرة على عدد من الإلكترونات على نقطة فضلا عن الطاقة نفق بين نقطة و2DEG في بقية عينة من صقل الفولتية على الأقطاب. ويرد التخطيطي للأقطاب البوابة والغاز الإلكترون المنضب في الشكل 2. تصميم لهياكل بوابة تشكيل نقطة فيspired من خلال تصميم المستخدمة من قبل بارثيل وآخرون. 8
للسيطرة، وتلا المعلومات فيما يتعلق بعدد الإلكترونات على النقطة، فمن المفيد للحث وقياس الحالي من خلال نقطة. يمكن أيضا أن يتم قراءات باستخدام نقطة الاتصال الكم (QPC)، الأمر الذي يتطلب أيضا الحالي من خلال 2DEG. يتم ضمان الاتصال بين مصادر 2DEG والجهد من قبل اتصالات أومية. هذه هي منصات المعدنية التي تنتشر من سطح العينة على طول الطريق وصولا الى 2DEG باستخدام معيار السريع الحرارية يصلب عملية 7 (انظر الشكلين 3A و 4B). لتجنب دوائر قصيرة بين المصدر والكفاءات، وحفرت على سطح العينة بحيث يتم استنفاد 2DEG في مناطق معينة ويضطر إلى السفر الحالية من خلال قنوات محددة معينة (انظر أرقام 3B و 4A). ويشار إلى المنطقة حيث لا يزال 2DEG لا يزال باسم "ميسا".
تفاصيل بروتوكول التالية عملية تلفيق كامل من نقطة بوابة المعرفة الوحشي الكم على الغاليوم / AlGaAs الركيزة. عملية غير قابلة للتطوير لأنه لا يزال هو نفسه بغض النظر إذا كان الجهاز قيد التجهيز هو، مزدوجة، أو ثلاثة أضعاف الكم نقطة واحدة أو حتى مجموعة من نقاط الكم. والتلاعب، والقياس، والنتائج لمضاعفة نقاط الكم ملفقة باستخدام هذا الأسلوب تمت مناقشتها في أقسام أخرى.
Protocol
Representative Results
Discussion
عملية المعروضة أعلاه يصف بروتوكول تلفيق نقطة الكم مزدوج قادرة على الوصول إلى النظام القليلة الإلكترون. ومع ذلك، قد المعلمات نظرا يختلف وفقا لنموذج ومعايرة المعدات المستخدمة. ولذلك، فإن المعلمات مثل جرعات عن التعرض أثناء الخطوات البريد شعاع وضوئيه يجب أن تكون محسوب?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أشكر مايكل Lacerte حصول على الدعم الفني. MP-L. يعترف المعهد الكندي للأبحاث المتقدمة (CIFAR)، والعلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا (NSERC)، والمؤسسة الكندية للابتكارات (CFI) وفون للبحوث كيبيك – الطبيعة وتقنيات (FRQNT) للحصول على الدعم المالي. كانت ملفقة الجهاز المقدمة هنا في CRN2 وIMDQ المرافق، الذي تموله جزئيا NanoQuébec. لفقت من الغاليوم / AlGaAs الركيزة التي كتبها ZR اسيلفسكي من معهد العلوم المجهرية في مجلس القومي للبحوث كندا. JCL وCB-O. نعترف CRSNG وFRQNT للحصول على الدعم المالي.
Materials
| Name of the reagent/material | Company | Product number | CAS number |
| Acetone – CH3COCH3 | Anachemia | AC-0150 | 67-64-1 |
| Isopropyl Alcohol (IPA) – (CH3)2CHOH | Anachemia | AC-7830 | 67-63-0 |
| 1165 Remover | MicroChem Corp | G050200 | 872-50-4 |
| Microposit MF-319 Developer | Shipley | 38460 | 75-59-2 |
| Sulfuric Acid – H2SO4 | Anachemia | AC-8750 | 766-93-9 |
| Hydrogen Peroxide (30%) – H2O2 | Fisher Scientific | 7722-84-1 | |
| LOR 5A Lift-off resist | MicroChem Corp | G516608 | 120-92-3 |
| Microposit S1813 Photo Resist | Shipley | 41280 | 108-65-6 |
| Microposit S1818 Photo Resist | Shipley | 41340 | 108-65-6 |
| PMMA LMW 4% in anisole | MicroChem Corp | 100-66-3, 9011-14-7 | |
| PMMA HMW 2% in anisole | MicroChem Corp | 100-66-3, 9011-14-7 | |
| GaAs/AlGaAs wafer | National Research Council Canada | See detailed layer structure in Figure 1. | |
| Ni (99.0%) | Anachemia | ||
| Ge (99.999%) | CERAC inc. | ||
| Au (99.999%) | Kamis inc. | ||
| Ti (99.995%) | Kurt J Lesker | ||
| Al | Kamis inc. | ||
| Silver Epoxy | Epoxy Technology | H20E |
References
- Shor, P. W. Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on a quantum computer. SIAM J. Sci. Comput. 26 (5), 1484-1509 (1997).
- Björk, M. T., Thelander, C., et al. Few-Electron Quantum Dots in Nanowires. Nano Lett. 4 (9), 1621-1625 (2004).
- Dekker, C. Carbon Nanotubes as Molecular Quantum Wires. Phys. Today. 52 (5), 22-28 (1999).
- Klein, D. L., McEuen, P. L., Bown Katari, J. E., Roth, R., Alivisatos, A. P. An Approach to Electrical Studies of Single Nanocrystals. Appl. Phys. Lett. 68 (18), 2574-2576 (1996).
- Kouwenhoven, L. P., Oosterkamp, T. H., et al. Excitation Spectra in Circular Few-Electron Quantum Dots. Science. 278 (5344), 1788-1792 (1997).
- Ciorga, M., Sachrajda, A. S. Z., et al. Addition Spectrum of a Lateral Dot from Coulomb and Spin-Blockade Spectroscopy. Phys. Rev. B. 61 (24), R16315-R16318 (2000).
- Baca, A. G., Ashby, C. I. H. . Fabrication of GaAs Devices. , 350 (2005).
- Barthel, C., Reilly, D. J., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. Rapid Single-Shot Measurement of a Singlet-Triplet Qubit. Phys. Rev. Lett. 103 (16), 160503 (2009).
- S, A Survey of Ohmic Contacts to III-V Compound Semiconductors. Thin Solid Films. 308, 599-606 (1997).
- Lim, W. H., Huebl, H., et al. Electrostatically Defined Few-Electron Double Quantum Dot in Silicon. Appl. Phys. Lett. 94 (17), 173502 (2009).
- Elzerman, J. M., Hanson, R., et al. Few-Electron Quantum Dot Circuit with Integrated Charge Read Out. Phys. Rev. B. 67 (16), 161308 (2003).
- Johnson, A. C., Petta, J. R., Marcus, C. M., Hanson, M. P., Gossard, A. C. Singlet-Triplet Spin Blockade and Charge Sensing in a Few-Electron Double Quantum Dot. Phys. Rev. B. 72 (16), 165308 (2005).
- Hanson, R., Kouwenhoven, L. P., Petta, J. R., Tarucha, S., Vandersypen, L. M. K. Spins in Few-Electron Quantum Dots. Rev. Mod. Phys. 79 (4), 1217-1265 (2007).
- Long, A. R., Pioro-Ladrière, M., et al. The Origin of Switching Noise in GaAs/AlGaAs Lateral Gated Devices. Physica E Low Dimens. Syst. Nanostruct. 34 (1-2), 553-556 (2006).
- Koppens, F. H. L., Buizert, C., et al. Driven Coherent Oscillations of a Single Electron Spin in a Quantum Dot. Nature. 442 (7104), 766-771 (2006).
- Foletti, S., Bluhm, H., Mahalu, D., Umansky, V., Yakobi, A. Universal Quantum Control of Two-Electron Spin Quantum Bits Using Dynamic Nuclear Polarization. Nat. Phys. 5 (12), 903-908 (2009).
- Petta, J. R., Lu, H., Gossard, A. C. A Coherent Beam Splitter for Electronic Spin States. Science. 327 (5966), 669-672 (2010).
- Shulman, M. D., Dial, O. E., Harvey, S. P., Bluhm, H., Umansky, V., Yacoby, A. Demonstration of Entanglement of Electrostatically Coupled Singlet-Triplet Qubits. Science. 336 (6078), 202-205 (2012).
- Khaetskii, A. V., Loss, D., Glazman, L. Electron Spin Decoherence in Quantum Dots Due to Interaction with Nuclei. Phys. Rev. Lett. 88 (18), 186802 (2002).
- Sakr, M. R., Jiang, H. W., Yablonovitch, E., Croke, E. T. Fabrication and characterization of electrostatic Si/SiGe Quantum Dots with an Integrated Read-Out Channel. Appl. Phys. Lett. 87 (22), 223104 (2005).
- Liu, X. L., Hug, D., Vandersypen, L. M. K. Gate-Defined Graphene Double Quantum Dot and Excited State Spectroscopy. Nano Lett. 10 (5), 1623-1627 (2010).
- Frey, T., Leek, P. J., Beck, M., Blais, A., Ihn, T., Ensslin, K., Wallraff, A. Dipole Coupling of a Double Quantum Dot to a Microwave Resonator. Phys. Rev. Lett. 108, 046807 (2012).
- Pioro-Ladrière, M., Tokyra, Y., Obata, T., Kubo, T., Tarucha, S. Micromagnets for coherent control of spin-charge qubit in lateral quantum dots. Appl. Phys. Lett. 90 (2), 024105 (2007).
