Курсовая работа: Квантові комп’ютери
3.4.Детектування спінового резонансу МДН транзисторами
Як відзначив В. Кейн [4], основною проблемою при організації обчислень на основі керування спіновим станом кубіта, є детектування спіна не по його власному магнітному моменті, але на підставі принципу Паулі, тобто по зарядовому стані кубіта. Донорний центр може зв’язати другий електрон з енергією 1 меВ, при цьому цей другий електронмає протилежний першому спін. Таким чином, проблема детектування спіна переходить у проблему детектуваннязаряду.
Звичайні МДН транзистори з малими розмірами здатні виміряти одиночний заряд і, отже, і одиночний спін, але тільки при низьких робочих температурах (~1К), коли випадкові обертання спінів зникають, але чутливість до одиночного заряду зберігається.
Як показано на рис.3.3, канал МДНТ розташований під атомом 31 Р. Таким чином, спіновий кубіт затиснутий між двома електродами - верхнім і затвором вимірювального транзистора. Таким чином, послідовні зарядові стани: іонізований донор, нейтральний донор і донор із двома електронами (D- стан) легко ідентифікувати, вимірюючи струм каналу.
Два сусідніх транзистори (під сусідніми кубітами) мають роздільні чуттєві канали, так що вони можуть бути роздільно перевірені, або навіть включені диференціально. Регулюванням затворних електродів електрони обох донорів можуть притягтися на той же самий донор. Якщо вони знаходяться в синглетному стані, вони можуть об’єднатися, формуючи D- стан на одному з двох іонів, але в триплетному стані вони не можуть займати той же самий донор. Оскільки одночасно формується D- стан на одному транзисторі і іонізований донор D+ стан на іншому, те з’являється істотна зміна диференціального струму, достатня для того, щоб ідентифікувати синглетний стан. Для триплетного стану обидва донори залишаються нейтральними і диференціальний струм буде постійним. Оцінки показують, ми можемо очікувати зміни струму (заряду), зв’язані із синглетним станом, порядку декількох відсотків, що робить спін спостирігаємим.
3.5.Вплив орієнтації підкладки кремнію
Якщо використовувати шари Ge-Sі розчинів з орієнтацією в напрямку [001], то це дає ряд переваг. По-перше,енергія зони провідності змінюється від складу швидше для цього напрямку. Крім того, Х2 і L-зони перетинаються при складі приблизно 90% Ge замість 70%, як при орієнтації [111]. Це дозволяє вибрати тверді розчини з меншими напругами привисоті бар’єра близько 50 меB, що більш ніж у два рази більше, ніж для орієнтації [111]. Відповідно, бар’єрні шари призбереженні тієї ж імовірності тунелювання можуть бути тонші, а допустимі напруги значно вище.
Крім того, використання орієнтації [001] веде до збільшення ефективної маси в площині пластини і до зменшення її в напрямку росту. Еліпсоїд зони провідності розташований у напрямку [111] відхилений на 55° від напрямку [001] і в такий спосіб z-напрямок більше не збігається з важкою масою в напрямку [111]. Важка маса переноситься (частково)у х-у-площину, що приводить до зменшення Борівського радіуса. Однак, найлегша маса в Ge дорівнює найважчій масі в Sі. У результаті шари з великим вмістом Ge будуть завжди мати в в х-у-площині Борівський радіус більше, ніж у шарах з великим вмістом Sі. Крім того, шари з великим вмістом Ge будуть виконувати функції тунельних Т-шарів і бар’єрних В-шарів точно так же, як і для напрямку [111].
Так як, відповідно до виразу для борівського радіуса
його величина росте при збільшенні діелектричної проникності матеріалу і зі зменшенням ефективної маси m*. Таким середовищем може служити твердий розчин Pb1-х Snх Te (СОТ). Були проведені виміри діелектричної проникності зразка Pb1-х Snх Te при різних температурах [6]. З рис.3.4 видно, що при зниженні температури від 40 К до 4.2-5К діелектрична проникність падає від 2.105 до 2.103.
Рис. 3.4. Температурна залежність ємності і діелектричної проникності Pb1-х Snх Te від температури. 1,2 – у темряві, 3 – при освітленні.
Якщо тепер розрахувати залежності обмінної частоти для різних матеріалів, то можна одержати серію кривих аналогічних рис.2.3.
Рис.3.5. Залежність обмінної частоти двох кубітів від відстані між ними.
1. Si - (ε=12 , m*/ m0 =0,191);
2. Ge - (ε=16 , m*/ m0 = 0,082);
3. PbTe - (ε=400, m*/ m0 =0,05);
4. Pb0,76 Sn0,24 Te - (ε=2000, m*/m0 =0,05).
Як видно з малюнка обмінна частота для випадку, коли в розрахунку використовуються значення діелектричної проникності й ефективної маси, що відповідають СОТ (In) зі складом х =0,24, зберігає досить високе значення навіть тоді, коли відстань між кубітами збільшується майже до 10 мкм.
З’явилися публікації про рішення однієї із складних проблем у створенні кубіта на атомах фосфору в кремнії - точне розташування цих атомів у матриці кремнію на відстанях усього сотні ангстрем. На Рис.3.6 приведена схема процесу такого розміщення атомів, успішно застосованого австралійською групою вчених у "Центрі технології квантового комп’ютера" у Сіднею.
Рис. 3.6. Процес формування регістра фосфорних кубітів у кремнії.
Спочатку проводиться очищення поверхні кремнію в надвисокому вакуумі. Потім ця атомарно чиста поверхня кремнію (Sі) пасивується моношаром водню. Потім по спеціальній програмі за допомогою зонда скануючого тунельного мікроскопа (СТМ) десорбуються в заданих місцях окремі атоми водню. Після цього в камеру вводяться пари фосфіну при тиску 10-8 мм рт.ст. Адсорбовані молекули фосфіну потім при температурі 5000 °С дисоціюють, залишаючи атоми фосфору зв’язані з кремнієм у місцях адсорбції. Після цього виробляється низькотемпературне зарощування кремнієм отриманої структури [5]. Паралельно з цими роботами в тому ж центрі розроблений необхідний для зчитування результатів квантових розрахунків одноелектронний транзистор на основі структури Al – Al2 O3 . Усі ці підготовчі роботи в даний час дозволили за повідомленням директора Центра створити кубіт відповідаючий усім вимогам по конструкції В. Кейна [7].
РОЗДІЛ 4
НАДПРОВІДНИКОВИЙ СУПЕРКОМП’ЮТЕР
4.1.Стаціонарний ефект Джозефсона
Джозефсон розглядав окремий випадок тунельного ефекту - тунелювання куперівських пар - і передбачив існування двох ефектів [8]. Перший з них полягає в тому, що через тунельний перехід з тонким шаром діелектрика, коли його товщина менше або порядку довжини когерентності ζ, (d < ζ), можливе протікання надпровідного струму, тобто струму без опору. Передбачалося, що критичне значення цього струму буде своєрідно залежати від зовнішнього магнітного поля. Якщо струм через такий перехід стане більше критичного, то перехід буде джерелом високочастотного електромагнітного випромінювання. Це нестаціонарний ефект Джозефсона.