[发明专利]包括多个量子处理元件的量子处理装置

说明书

本发明涉及一种包括多个量子处理元件的量子处理装置。本公开提供了针对用于执行量子处理的量子处理装置的可扩展架构。该架构基于全硅CMOS制造技术。基于晶体管的控制电路与浮置栅极一起被用于操作量子位的二维阵列。该量子位由被限制在量子点中的单个电子的自旋状态来限定。

技术领域

本发明涉及包括量子处理元件(quantum processing element)的量子处理装置，并且但非排它地，特别涉及用于执行量子处理的架构。

背景技术

在过去50年里，随着诸如晶体管的功能单元的尺寸不断减小，诸如微处理器和存储器电路的计算组件的功率和容量不断增加。然而，该趋势正在达到极限，因为很难在不影响其操作的情况下使当前功能单元(诸如MOSFET)变得更小。

用于制造常规硅集成电路的技术在过去50年中已经发展并且如今已经很成熟。目前的微处理器以在高吞吐量生产线上制造的数亿个晶体管为特征。

目前正在开发新型量子处理装置，其可以利用与当前处理器不同的方法来实现强大的计算。这种量子处理装置使计算能力远远超过当前装置。例如，量子处理器正在开发中，其可以根据量子力学的规则执行计算。有关用于实现量子位(qubit)的装置、量子处理器的基本计算单元以及量子架构的实现方法已经被不同程度地成功探索。

朝向大规模通用量子计算的最有前途途径都要求量子纠错，这种技术使能利用逼真噪音量子位来模拟理想量子计算，前提是噪声低于容错阈值。

一些量子纠错方法(诸如“表面编码”)允许错误阈值高达1％。这种错误水平可以利用许多量子位平台实现。然而，表面代码的实现需要大量量子位，因此需要可以扩大到大量量子位(诸如10⁸)的平台。即使对于最有前途的平台，对这种大量量子位的需求也产生量子计算领域中的挑战。

为了制造“纠错量子计算机”，要求可扩展架构。这种架构在理想情况下并入彼此相对接近设置的大量量子位，其协同操作来实现纠错量子计算。另外，该架构的制造应当切实可行。

发明内容

根据第一方面，本发明提供了一种量子处理装置，该量子处理装置包括：

以矩阵布置的多个量子处理元件；每个处理元件都包括形成界面的硅和电介质材料、以及适于在所述硅中限制一个或多个电子或空穴以形成能够作为量子位操作的量子点的电极布置；

在所述处理元件周围设置的多个控制构件；每个控制构件都包括被布置成与所述电极布置相互作用以利用所述处理元件执行量子操作的一个或更多个开关；以及

多条控制线；每条控制线都连接至多个控制构件，以使能同时操作多个处理元件。

所述量子操作可以包括所述处理元件的初始化、量子控制以及读出中的任一个。

在一实施方式中，所述电极布置包括可控制以形成所述量子点并且操作所述量子点作为量子位的一个或更多个电极。

在一实施方式中，所述一个或更多个开关包括与所述电极布置中的电极相互作用的集成晶体管。所述晶体管可以是场效应晶体管。另选的是，可以使用磁性开关与所述电极布置中的电极相互作用。

有利的是，所述处理元件可以沿着形成在硅层与电介质层之间的界面以2D矩阵布置。所述界面、所述硅层以及所述电介质层可以由所述处理元件共享。所述电极布置可以被设置到所述电介质层上，并且所述量子点在所述界面附近形成。所述电极和所述控制构件可以具有三维结构并且沿垂直于所述界面的方向延伸。在实施方式中，所述控制构件被设置成在所述装置的处于所述电极布置上方的部分中。

在一实施方式中，所述装置的每个处理元件与至少两个控制构件相关联。