Exchange in a silicon-based quantum dot quantum computer architecture
在体硅中，谷间电子干涉已被证明会导致杂质电子波函数之间的交换耦合产生强烈振荡，这对拟议的量子计算机构成了严重的可制造性问题。在这里，我们表明，这个问题不会出现在建议的架构中使用Si/SiGe量子点，因为在Si量子阱中的大的面内应变连同强限制的潜力典型的异质结构。
2004-08-25 cond-mat.mes-hall quant-ph
Towards the fabrication of phosphorus qubits for a silicon quantum computer
建造量子计算机的探索受到了这样一种设备所能提供的强大计算能力的启发。特别是基于硅的提议，使用掺杂剂的核或电子自旋作为量子位，由于所涉及的长自旋弛豫时间、它们的可扩展性以及与现有硅技术集成的容易性而具有吸引力。然而，制造这样的设备需要原子尺度的操纵-这是一个巨大的技术挑战。我们证明，它是可能的，以制造硅基量子计算机的制造所需的尺寸在硅表面上制造一个原子级精确的线性阵列的单磷轴承分子。我们还讨论了这些磷原子的封装随后的硅晶体生长的策略。
2001-04-30 cond-mat quant-ph
Nuclear magnetic resonance spectrum of 31P donors in silicon quantum computer
得到了硅量子计算机栅势产生的电场对超精细相互作用常数（HIC）的影响。计算了由于工艺误差引起的栅下施主原子位置误差。计算了不同HIC值下两施主原子相互作用的电子-核自旋系统的能谱。的存在下，两对反交叉水平的基态电子状态。找到了误差率可以大大降低的结构参数。
2000-12-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Silicon-based Quantum Computation
提出了一种量子计算机的体系结构，其中与硅中的施主相关联的自旋充当量子比特。使用施加到与自旋相邻的栅极的电压和与自旋跃迁共振的射频施加的磁场的组合来执行对自旋的量子操作。电子自旋的探测和测量是通过对两电子系统的静电探测来进行的，由于泡利原理，其轨道构型必须取决于电子的自旋状态。具体的设备将进行讨论，执行所有必要的操作量子计算，重点放在定性的原则，其操作。使用这种架构实现大规模量子计算的可能障碍将得到解决：计算机必须在极低的温度下运行，必须由接近原子精度的设备制造，并且需要非常精确的门控操作才能执行量子逻辑。将提出改进的计算机体系结构，可以弥补这些不足之处。最后，我将讨论使用Si/SiGe异质结构的计算机的具体实现，其中使用低能量聚焦离子束沉积施主。
2000-03-08 quant-ph
An all silicon quantum computer
提出了一种完全由硅组成的量子计算机的固态实现。量子位是Si-29核自旋，其在Si-28（自旋-0）矩阵中排列为链，具有由大磁场梯度分离的拉莫尔频率。不需要杂质掺杂剂或电接触。光泵浦，算法冷却，和伪纯态技术完成。磁共振力显微镜用于读出。该方案利用了溶液NMR量子计算的许多成功方面，包括系综测量，RF控制和长退相干时间，但它允许更多的量子位和改进的初始化。
2001-09-07 cond-mat quant-ph
Is all-electrical silicon quantum computing feasible in the long term?
第一代商用量子计算机的发展分别基于量子比特和囚禁离子。其他技术，如半导体量子点、中性离子和光子，原则上可以提供一种替代办法，在中期内取得类似的结果。从长远来看，为了创建通用量子计算机，评估其中一个或多个是否可能更有效地解决数百万量子比特的可扩展性是相关的。介绍了一种全电硅自旋量子比特，即双量子点混合量子比特，这种量子技术一方面依赖于坚实的理论基础，另一方面依赖于现有硅供应链的纳米级器件的大规模制造技术。
2020-02-25 quant-ph
A silicon-based surface code quantum computer
硅中的单个杂质原子可以制造出色的单个量子位，但构建多量子位处理器仍然是一个巨大的挑战：量子位-量子位相互作用所需的纳米分离与更大的尺度之间存在基本冲突，这将使控制和寻址成为可制造和容错架构。在这里，我们通过建立表面码量子计算的可行性来解决这个冲突，该计算使用彼此分离很远的固态自旋或“数据量子比特”。我们采用了第二组“探测”自旋，它们与数据量子比特机械分离，并在它们的附近进出。自旋偶极-偶极相互作用引起相移;测量探针的总相位揭示了沿着探针路径的数据量子比特的集体奇偶性。我们引入了一个协议来平衡由于在器件制造过程中自旋不完美定位而引起的系统误差。详细的模拟表明，表面码的阈值对应于阵列尺度上的实质性未对准，这表明它是非常鲁棒的。我们的结论是，这种简单的“轨道探测器”架构克服了固态量子计算面临的许多困难，同时最大限度地减少了复杂性，并提供了比其他系统大几个数量级的量子比特密度。
2015-09-23 quant-ph
Silicon CMOS architecture for a spin-based quantum computer
用于容错量子计算的量子纠错（QEC）码\cite{Terhal2015}和在广泛的平台\cite{Kok2007, Brown2011, Barends2014, Waldherr2014, Dolde2014, Muhonen2014, Veldhorst2014}中高保真量子比特的物理实现的最新进展为基于数百万个相互作用的量子比特的量子计算机的构建提供了希望。然而，经典量子界面仍然是一个新兴的探索领域。在这里，我们提出了一种完全基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的硅基量子计算机处理器架构，这是所有现代处理器芯片的基础。我们展示了一个基于晶体管的控制电路和电荷存储电极如何用于操作一个密集的、可扩展的二维量子比特系统。量子位由限制在量子点中的单个电子的自旋状态定义，通过交换相互作用耦合，使用微波腔控制，并通过基于门的色散读出\cite{Colless2013}测量。该系统完全基于现有技术和现有组件，与通用表面码量子纠错\cite{Terhal2015}兼容，实现了大规模通用量子计算。
2016-09-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum computation with doped silicon cavities
我们提出了一种量子计算机架构，涉及光子晶体硅腔中的替代施主，以及已经在离子阱和其他原子系统中证明的光学初始化，操纵和检测过程。我们的方案大大简化了硅基固态量子计算机成功运行的构建模块的实现，包括施主的定位，单量子位和双量子位门的实现，量子位的初始化和读出。使用相关参数的最新值对所涉及的过程进行详细考虑，表明这种架构可能会导致与可扩展量子计算兼容的每个门的错误。
2008-11-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Self-assembly of parallel atomic wires and periodic clusters of silicon on a vicinal Si(111) surface
用扫描隧道显微镜（STM）研究了硅在邻位Si（111）表面同质外延生长初期台阶边缘的自组装。在400 ~ 300 ℃的很窄的生长温度范围内，得到的原子结构从0.7 nm宽的平行线阵列急剧变化为直径约2 nm、周期为2.7 nm的一维排列周期团簇。这些纳米结构有望在硅量子计算机的未来发展中发挥重要作用。导致这种不同的结构的机制进行了讨论。
2005-07-11 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Scalable Spin Qubit Architecture with Donor-Cluster Arrays in Silicon
Southern University of Science and Technology（南方科技大学）；International Quantum Academy（国际量子研究院）；Shenzhen Branch, Hefei National Laboratory（合肥国家实验室深圳分部）
该研究提出一种基于二维供体簇阵列的硅自旋量子位架构，通过共享束缚电子实现多供体地址化，利用可调交换相互作用实现局部全连接，并展示出高保真度的多量子位操作及量子纠错能力。
2026-05-13 cond-mat.mes-hall quant-ph
An exchange-based surface-code quantum computer architecture in silicon
硅中的磷施主自旋为实现鲁棒量子比特提供了许多有前途的特性。在用于按比例放大的各种概念中，共享控制概念利用3D扫描隧道显微镜（STM）制造技术来最小化控制线的数量，从而允许将施主放置在$\geq$ 30 nm的节距极限处，从而实现偶极相互作用。一个根本的挑战是利用更快的交换相互作用，然而，所需的供体间距通常为15 nm或更小，并且交换相互作用对供体放置中的晶格位置变化非常敏感。这项工作提出了一个快速交换为基础的表面码量子计算机架构，明确解决了施主放置不精确的原子精度的制造技术和严格的量子比特间距的要求。通过引入中间供体作为交换相互作用开关来扩展有效间距。我们认为这两个全球性的控制方案和预定的一系列操作，通过设计GRAPE脉冲为个人hocTs的基础上预测的原子紧束缚模拟耦合的情况。该架构与现有的制造能力兼容，并可作为基于硅中施主杂质的全尺寸容错量子计算机的实验实现的蓝图。
2021-07-26 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph quant-ph
Quantum information density scaling and qubit operation time constraints of CMOS silicon based quantum computer architectures
即使是Fe $_2$ S $_2$等简单分子的量子模拟也需要10个以上的$^6$量子比特。为了评估这种数百万规模的相同量子位和控制线，硅平台似乎是最有代表性的路线之一，因为它提供了纳米级，串行和工业质量制造的能力。每单位表面的最大量子信息量以及由此产生的对量子比特操作的空间约束是实现Si量子比特容错量子信息处理（QIP）的关键参数。对于紧凑的仅交换Si双量子点量子位架构，这种量子信息的最大密度表示为CMOS技术节点的函数。通过审查物理和技术约束，评估优化物理量子比特操作时间和量子纠错（QEC）要求的尺寸尺度。我们确定Si-CMOS量子处理器的工作频率范围在1到100 GHz之间，这将其可行性限制在最先进的节点上。与经典的控制电路的兼容性进行了讨论，重点放在低温CMOS操作，使经典的控制器尽可能接近量子处理器，并使成千上万的量子位接口在同一芯片上。低温控制电子学的操作时间范围被认为是与量子位操作时间兼容的。通过结合技术发展的预测与操作时间和经典电路的限制，我们推导出的最大量子信息密度为2.8和4 Mqb/cm $^2$分别为10纳米和7纳米技术节点的Steane码的逻辑量子比特。对于表面码和级联码，密度分别小一个和两个数量级。这些值为Si基容错QIP的开发提供了基准。
2017-04-20 quant-ph
Strain effects on silicon donor exchange: Quantum computer architecture considerations
提出的基于硅的量子计算机架构已经引起了人们的关注，因为它们具有可扩展性的承诺以及协同利用与强大的Si技术的现有基础设施相关的可用资源的潜力。对供体（例如磷）交换的定量理解和精确的物理控制是所提出的基于Si的量子计算机硬件的物理基础中的关键要素。在这种情况下，一个重要的潜在问题是，谷间干扰起源于Si导带边缘的简并导致施主交换耦合的快速振荡，这对Si量子计算机架构施加了重大约束。在本文中，我们考虑的影响，外部应变Si施主交换的背景下，量子计算机硬件。我们研究单轴应变Si中的施主电子交换，因为应变部分地提升了体中的谷简并度。特别是，我们专注于交换耦合的晶格位置之间的施主位移的影响，调查是否谷间干扰造成的问题，在应变硅施主交换耦合少。我们表明，使用Kohn-Luttinger包络函数的方法，交换耦合的快速振荡确实消失的捐助者对，满足一定的条件，他们的相对位置，而在其他情况下，捐助者交换耦合仍然振荡，与周期接近原子间的间距。我们还评论了可控的外部应变在硅量子计算机架构的设计和制造中可能发挥的作用。
2001-12-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Solid-State Quantum Computer Based on Scanning Tunneling Microscopy
我们提出了一个基于扫描隧道显微镜（STM）和成熟的硅技术应用的固态核自旋量子计算机。它需要测量由单个电子自旋的拉莫尔进动引起的隧穿电流调制。我们设想的STM量子计算机将在高磁场（$\sim 10$ T）和低温$\sim 1$ K下工作。
2001-03-03 quant-ph
Cluster-configurational study of G-center in Silicon
Virginia Tech（弗吉尼亚理工大学）；Virginia Tech Center for Quantum Information Science and Engineering（弗吉尼亚理工学院量子信息与工程中心）；Virginia Tech National Security Institute（弗吉尼亚理工学院国家安全研究所）
研究硅中G中心的自旋和光学性质，采用多组态自洽场结合DFT优化几何结构，通过基于量子化学的方法得出与G中心零声子线等的良好一致性，并计算其理论自旋退相干时间。
2026-07-16 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Acceptor-based silicon quantum computing
提出了一种量子比特间偶极耦合的固态量子计算机。量子比特由硅中孤立受体的低位态形成。该系统具有基于自旋的固态系统所固有的可扩展性，但量子位之间的空间分离要大一个数量级。尽管强偶极量子比特间耦合，退相干率，测量电偶极回波在1.5 GHz的能量分裂，在低温下小于1 kHz。对于100 nm的受体间距离和适度的微波场振幅（50 V/cm），量子计算机的时钟频率为0.1 GHz，其产生105的品质因数。本文描述了量子计算机的检测和操作的想法，并研究了噪声源带来的限制。
2003-09-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Fast universal quantum control above the fault-tolerance threshold in silicon
容错量子计算机依靠量子纠错来解决难题。最有前途的纠错码之一是表面码，它要求通用门的纠错阈值超过99%。在许多量子位平台中，只有超导电路、捕获离子和金刚石中的氮空位中心满足这些要求。硅中的电子自旋量子位由于其纳米级的能力而特别有希望用于大规模量子计算机，但是由于操作缓慢，双量子位门保真度被限制在98%。在这里，我们展示了99.5%的双量子位门保真度，以及99.8%的单量子位门保真度，在硅自旋量子位通过使用微磁感应梯度场和可调谐的两量子位耦合的快速电控制。我们确定了量子比特旋转速度和耦合强度的条件，我们鲁棒地实现高保真门。我们实现了Deutsch-Jozsa和Grover搜索算法，使用我们的通用门集具有很高的成功率。我们的研究结果证明了通用门保真度超过容错阈值，并为可扩展的硅量子计算机铺平了道路。
2021-08-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
Rapid single-shot parity spin readout in a silicon double quantum dot with fidelity exceeding 99 %
针对容错量子计算需要快速高保真自旋测量的挑战，本文利用宇称模式泡利自旋阻塞技术优化硅双量子点的初始化与测量流程，实现了保真度超过99%的快速单次宇称自旋读取，为硅基量子纠错奠定基础。
2023-09-01 cond-mat.mes-hall quant-ph
Scalable Atomic Arrays for Spin-Based Quantum Computers in Silicon
本文集成分子离子注入、重施主 qudit 与纳米孔径步进重复工艺，实现高置信度检测和 300 nm 间距规则施主阵列，为硅基可扩展自旋量子计算机提供完整制造路径。
2023-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Silicon quantum processor unit cell operation above one Kelvin
预计量子计算机在一系列重要问题上的表现将优于传统计算机，从分子模拟到搜索算法，一旦它们可以扩展到大量的量子比特（qubit），通常是数百万。对于大多数固态量子比特技术，例如使用超导电路或半导体自旋的技术，缩放构成了一个重大挑战，因为每增加一个量子比特都会增加产生的热量，而稀释制冷机的冷却能力在其工作温度低于100 mK时受到严重限制。在这里，我们展示了一个可扩展的硅量子处理器单元格的操作，包括两个量子位限制在量子点（QD）在$\sim$ 1.5开尔文。我们通过将量子点与电子库隔离，仅通过两个量子点之间的电子隧穿初始化和读取量子位来实现这一点。我们相干控制的量子位使用电驱动自旋共振（EDSR）同位素富集硅$^{28}$ Si，达到98.6%的单量子位门的结晶度和相干时间$T_2^*$ = 2 $μ$ s在“热”操作，相当于自然硅中的自旋量子位在毫开尔文温度。此外，我们表明，单位细胞可以操作在低至0.1 T的磁场，对应于3.5 GHz的量子比特控制频率，其中量子比特能量远低于热能。单位单元构成了全尺寸硅量子计算机的核心构建块，并满足纠错架构所需的布局约束。我们的工作表明，基于自旋的量子计算机可以在简单的泵浦$^4$ He系统中在高温下运行，提供比稀释制冷机高几个数量级的冷却功率，可能使经典的控制电子器件与量子位阵列集成。
2019-06-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
PyCCE: A Python Package for Cluster Correlation Expansion Simulations of Spin Qubit Dynamic
我们提出了PyCCE，一个开源的Python库来模拟自旋量子位在自旋浴中的动力学，使用集群相关展开（CCE）方法。PyCCE包括生成真实旋转浴的模块，采用从第一原理计算的耦合参数与电子结构代码，并使用户能够使用传统或广义CCE方法运行模拟。我们说明了Python库的三个用例：金刚石中氮空位的哈恩回波相干时间的计算;碳化硅中基底双空位在避免交叉处的相干时间的计算;以及硅中浅施主的磁场取向相关动力学。完整的文档和安装说明可在https://pycce.readthedocs.io/en/latest/上获得。
2021-07-13 quant-ph
Spin quantum computation in silicon nanostructures
提出的硅基量子计算机架构已经引起了人们的关注，因为它们的可扩展性和协同利用与现有Si技术基础设施相关的可用资源的潜力。硅中浅施主（例如磷）的电子和核自旋是量子位的理想候选者，因为它们与环境的相互作用有限，自旋相干时间长。对于这些自旋量子位，浅施主交换门经常被调用来执行两个量子位操作。在这篇综述中，我们讨论了一个特别重要的自旋退相干通道，以及带结构对交换门控制的影响。具体来说，我们回顾了我们的工作，由于背景核自旋触发器的施主电子自旋光谱扩散，以及如何同位素纯化硅可以显着提高电子自旋退相时间。然后，我们审查我们的计算中存在的简并硅导带谷的施主电子交换耦合。我们发现，谷干扰导致的数量级变化时，电子交换耦合的施主配置在原子尺度上改变。这些研究说明了硅中施主电子/核自旋作为量子比特候选者的巨大潜力，同时也说明了它们带来的巨大挑战。特别是，我们的工作通过光谱扩散的自旋退相干点同位素纯化在可扩展的固态量子计算机架构的制造中的可能的重要性。我们还提供了一个关键的比较两个主要的建议自旋为基础的固态量子计算机架构，即浅施主束缚态的Si和本地化的量子点状态的GaAs。
2004-11-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
Qubit entanglement on a silicon photonic chip
纠缠--自然界中最微妙的现象之一--是量子信息应用的重要资源。大的纠缠团簇态已经被预测可以实现通用的量子计算，所需的单量子比特测量很容易用光子实现。在片上产生和控制量子比特纠缠是大规模系统的关键，量子信息是在光子路径中自然编码的，本文报道了一种硅光子芯片，它集成了共振增强源、滤波器和可重构光学器件，产生了路径纠缠的两量子比特态--最小的非平凡团簇态，并分析了它的纠缠.我们表明，基于环形谐振腔的自发四波混频源可以高度不可区分，尽管他们的非线性动力学，和第一个证据表明，他们的频率相关性很小，如预测。我们使用量子态层析术和严格的Bell-CHSH不等式来量化器件中的纠缠，证实了它的高性能。这项工作集成了构建设备和系统的基本组件，以大规模利用量子纠缠。
2014-11-21 quant-ph
Programmable four-photon graph states on a silicon chip
未来的量子计算机需要一个可扩展的架构，一个支持数百万高性能组件的可扩展技术。基于图状态的基于测量的协议代表了光学量子计算架构的最新技术水平。硅光子学提供了巨大的规模和成熟的量子光学功能。在这里，我们报告的第一个演示的光子图形状态的大规模制造的芯片上使用四个芯片上产生的光子。我们生成星型和线型图形状态，实现一个基本的基于测量的协议，并测量芯片的四个光子的预示干扰。我们开发了一个设备的模型，并使用贝叶斯推断限制了主要的误差源。限制芯片级量子光学的双光子屏障现在已经被打破;未来芯片上光子数的增加现在只取决于减少损耗和提高速率。这项实验将硅技术与基于图形的架构相结合，为大规模量子未来指明了一条道路。
2018-11-07 quant-ph
Spin-dependent recombination - an electronic readout mechanism for solid state quantum computers
结果表明，局域在硅带隙态的电子-空穴对的相干自旋运动会影响载流子复合。基于这种效应，本文提出了Kane提出的硅基固态自旋量子计算机的读出概念。31 P量子位（qbit）通过超精细耦合连接到定域施主电子的自旋。当具有带隙内深处或接近价边的能级的第二定域且单占据的电子态接近时，可以激活31 P核与两个电子态之间的门控交换，这使得施主-深能级对要么保持不变，要么保持不变。|T->-态或将其转变为单重态|S>.由于施主深能级跃迁是自旋相关的，因此深能级是否带电取决于施主核的核自旋取向。因此，可以利用光脉冲序列和光电导测量来读取qbit的状态。
2002-08-06 quant-ph
Silicon quantum computation based on magnetic dipolar coupling
提出了一种偶极门替代基于交换门的凯恩量子计算机，其中量子比特是硅中浅V族施主的电子自旋。剩余交换耦合被视为适合于量子纠错的门误差，去除了对所有基于硅交换的实现的施主定位特性的严格要求[B. Koiller等人，物理修订版信函88，027903（2002）]。与常见的推测相反，这样的方案是可扩展的，即使它是基于长距离偶极量子位间耦合，也没有门控时间的开销。
2004-08-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Optimal operating temperature for industry-compatible silicon spin quantum computing: colder is not necessarily better
Diraq；School of Electrical Engineering and Telecommunications, University of New South Wales（新南威尔士大学电气工程和电信学院）；Université Grenoble Alpes, CNRS, LPMMC（格勒诺布尔阿尔卑斯大学、法国国家科学研究中心、低维磁性物理与材料实验室）；ARC Centre of Excellence for Engineered Quantum Systems, School of Physics, University of Sydney（悉尼大学物理学院、ARC工程量子系统卓越中心）
研究硅自旋量子计算最佳工作温度，通过门集层析成像在多温度下对双量子比特硅芯片测试，结合冷却需求与纠错开销开发功率模型，发现有限最佳温度受近1K交叉温度影响，为大规模硅量子计算机提供设计指南。
2026-07-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Error protected qubits in a silicon photonic chip
原则上，通用量子计算机可以纠缠许多有噪声的物理量子比特，以实现防止错误的复合量子比特。基于测量的量子计算体系结构本质上支持错误保护量子比特，是构建全光子量子计算机的最可行方法。在这里，我们提出并展示了一个集成的硅光子架构，既纠缠多个光子，并编码多个物理量子位的单个光子，以产生错误保护量子位。我们实现了可重构的图形状态，比较了几种方案与纠错编码，并实现了一系列的量子信息处理任务。我们观察到的成功率从62.5%增加到95.8%时，运行相位估计算法没有和错误保护，分别。最后，我们实现超图状态，这是一个广义的一类资源状态，提供保护，防止相关的错误。我们的研究结果表明，如何量子纠错编码可以实现与资源有效的光子架构，以提高量子算法的性能。
2020-09-17 physics.optics quant-ph
Carbon cluster emitters in silicon carbide
本研究利用密度泛函理论计算4H-SiC中至多含四个碳原子的碳团簇，结合光谱比对确定多个可见发光体的原子构型来源。
2023-08-18 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Voltage Control of Exchange Coupling in Phosphorus Doped Silicon
受量子计算机体系结构的应用程序的启发，我们研究了硅中相邻的磷施主电子之间的交换相互作用的变化，由于施加电压偏置到表面控制电极。这些电压偏置在晶体衬底内产生静电场，扰乱施主电子的状态，从而改变它们之间交换相互作用的强度。我们发现，这种控制门可以用来增强，或减少的相互作用的强度，由一个量，这取决于两者的大小和方向的施主分离。
2004-02-26 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Methods for transverse and longitudinal spin-photon coupling in silicon quantum dots with intrinsic spin-orbit effect
本研究针对容错架构全尺寸量子计算机的可扩展长程量子比特相互作用需求，提出利用SiMOS量子比特本征自旋轨道相互作用的自旋-光子耦合方法，证实横向方案可实现强耦合，评估了纵向耦合可行性，无需外部微磁体，助力大规模量子计算集成。
2023-08-24 cond-mat.mes-hall quant-ph
Two-spin relaxation of P-dimers in Silicon
我们研究了硅中施主束缚电子的双电子单重态-三重态弛豫。电子与磷（P）核的超精细相互作用，结合电子-声子相互作用，导致三重态的弛豫。在Heitler-London和有效质量近似下，我们计算了外加磁场存在下的三重态弛豫率。这种弛豫机制影响当前P-二聚体的电子自旋共振（ESR）实验中的共振峰。此外，自旋衰变的估计时间尺度为在基于供体自旋的量子计算机（QC）中执行容错双量子比特操作所需的门脉冲设定了上限。
2010-10-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Materials for Silicon Quantum Dots and their Impact on Electron Spin Qubits
量子计算机有可能有效地解决物流、药物和材料设计、金融和网络安全方面的问题。然而，为了纠正量子操作中不可避免的错误，需要数百万个量子比特。在这种情况下，栅极定义的硅量子点中的电子自旋是编码量子位的有力竞争者，利用微电子行业的专业知识制造具有纳米级电极的密集芯片。然而，商业制造的晶体管中使用的复杂材料组合将对脆弱的量子位产生非常不同的影响。我们在这里回顾了对量子比特性能和可变性有直接影响的材料的一些关键特性。
2021-07-30 cond-mat.mes-hall quant-ph
A programmable two-qubit quantum processor in silicon
随着量子比特测量和控制精度超过容错阈值，许多注意力正转向将物理量子比特的数量按比例增加到容错量子计算所需的大量数量的艰巨任务。这里，基于量子点的自旋量子位由于其高密度、全电操作和集成到工业平台上的潜力而可以提供显著的优点。在这个系统中，初始化，读出，单和双量子位门已被证明在各种量子位表示。然而，正如其他小规模量子计算机演示所看到的那样，将这些元素结合起来会带来新的挑战，包括量子位串扰、状态泄漏、校准和控制硬件，这些都为扩大规模提供了宝贵的见解。在这里，我们解决这些挑战，并通过执行Deutsch-Josza和Grover搜索算法来演示硅中的可编程双量子位量子处理器。此外，我们还通过对Bell态的量子态层析，测量了态的纠缠度在85-89%之间，并发度在73- 80%之间，从而在我们的处理器中消除了纠缠。这些结果为使用限制在量子点上的自旋的更大规模量子计算机铺平了道路。
2018-05-31 cond-mat.mes-hall quant-ph
A single-atom electron spin qubit in silicon
单原子是量子系统的原型，也是量子比特（量子计算机的基本单位）的自然候选者。原子已成功地用于电磁阱中存储和处理量子信息，以及通过使用NV中心点缺陷在金刚石中存储和处理量子信息。固态电子器件具有很大的潜力，可以将这种演示从几个量子位控制扩展到更大规模的量子处理器。在这个方向上，自旋量子位的相干控制已经在GaAs和Si中的光刻定义的双量子点中实现。然而，将工程纳米结构的电学测量能力与原子自旋量子比特固有的优点相结合是一个巨大的挑战。在这里，我们展示了一个单独的电子自旋量子位绑定到一个磷施主原子在天然硅的相干操纵，通过单次读出电测量。我们使用电子自旋共振驱动拉比振荡，而哈恩回波脉冲序列显示自旋相干时间（T2）超过200 μs。预计在同位素富集的28Si样品中，该数字甚至会变得更长。再加上使用与现代集成电路技术兼容的器件架构，这些结果表明硅中单个磷原子的电子自旋是构建可扩展量子计算机的绝佳平台。
2013-05-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Integrated multiplexed microwave readout of silicon quantum dots in a cryogenic CMOS chip
固态量子计算机需要经典电子学来控制和读出单个量子比特，并实现快速经典数据处理[1-3]。在固态量子处理器运行最佳的深低温下集成两个子系统[4]，可以解决一些主要的扩展挑战，例如系统大小和输入/输出（I/O）数据管理[5]。硅量子点（QD）中的自旋量子位可以使用超大规模集成（VLSI）与互补金属氧化物半导体（CMOS）电子器件单片集成，从而利用半导体行业的广泛制造经验[6]。然而，在mK温度下使用工业CMOS进行集成的实验演示仍处于起步阶段。在这里，我们提出了一个使用工业CMOS技术制造的低温集成电路（IC），它包含硅基量子处理器的三个关键成分：QD阵列（在这里以非交互式3x 3配置排列），数字电子器件，以最大限度地减少使用行列寻址的控制线和用于多路复用读出的模拟LC谐振器，所有这些都在50 mK下工作。与微波谐振器（6-8 GHz范围），我们显示分散读出的量子点的电荷状态，并执行组合的时域和频域复用，实现可扩展的读出，同时减少整体芯片的足迹。这种模块化架构探讨了使用工业CMOS技术实现集成量子和经典电子学的大规模硅量子计算机的限制。
2021-01-20 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Enhancement of a silicon waveguide single photon source by temporal multiplexing
单光子的有效产生是构建光子量子技术的关键挑战之一，如量子计算机和长距离量子网络。光子源多路复用-其中成功的对产生是由一个光子的检测预示，其伙伴被路由到单模输出-长期以来一直被认为提供了一个具体的解决方案，随着损耗的减少，输出概率趋于统一。在这里，我们提出了一种基于硅波导和低损耗光纤开关和环路架构的时间复用集成单光子源，它实现了增强的单光子输出概率的$4.5 \pm 0.5$，同时保留$g^{(2)}(0) = 0.01$。
2022-07-06 physics.optics quant-ph
K-Means Clustering on Noisy Intermediate Scale Quantum Computers
电信网络生成的大性能数据的实时聚类需要特定于域的高性能计算基础设施来检测异常。在本文中，我们评估噪声的中间尺度量子（NISQ）计算机的特点是低退相干时间，K-均值聚类，并提出三种策略，以产生较短的深度量子电路需要克服NISQ计算机的限制。这些策略基于利用：i）量子干涉，ii）负旋转和iii）相消干涉。通过比较我们在IBMQX 2机器上对代表性数据集的实现，我们表明NISQ计算机可以解决K-均值聚类问题，其精度与经典计算机相同。
2019-09-26 cs.ET quant-ph
Network architecture for a topological quantum computer in silicon
针对半导体量子点自旋量子比特，提出了一种基于节点/网络方法的大规模表面码量子处理器的设计。最小节点仅包含7个量子点，节点在微米级上分离，为布线互连和传统晶体管电路的集成创造了有用的空间。通过在局部加载自旋单线态，然后使自旋单线态中的一个穿过空点的线性阵列，纠缠被分布在相邻的节点之间。每个节点包含一个数据量子比特、两个辅助量子比特和额外的点，以促进电子穿梭和辅助量子比特的测量。四节点GHZ态是通过共享三个节点间的单态，然后进行局部门操作和辅助测量来实现的。进一步的局部操作和测量在四个数据量子比特上产生X或Z稳定器，这是表面码的基本操作。电子穿梭模拟使用一个简化的栅电极的几何形状没有明确的障碍门，并证明绝热运输是可能的时间尺度上，不存在速度瓶颈的处理器。清洁系统中的一个重要穿梭误差是由于斯塔克效应在传输期间电子g因子的调制而导致的不受控制的相位旋转。这种误差可以通过适当的静电调谐的静态电子的g因子来减少。使用合理的噪声模型，我们估计相对于单和双量子位门的量子数以及单重失相错误穿梭过程中的错误阈值。旋转协议将与交换门操作相关的非泡利噪声转换为泡利噪声，使得可以使用Gottesman-Knill定理来有效地模拟大型代码。
2018-11-27 physics.app-ph quant-ph
Design and proof of concept for silicon-based quantum dot quantum bits
基于硅的自旋为量子计算提供了最有前途的架构之一。量子点是一种固有的可扩展技术。在这里，我们将这两个概念结合到硅锗量子比特的可行设计中。这种新结构结合了垂直和横向隧穿，提供了点之间的受控耦合，并使每个点的单电子占领。对设计的精确建模阐明了其可扩展的量子计算的潜力。这是第一次有可能将容错纠错的要求转化为对量子点中的栅极电压控制电子器件的具体要求。我们证明，这些要求是满足现有的脉冲发生器在kHz-MHz的范围内，但GHz的操作是尚未实现的。我们的计算进一步查明了器件的功能，提高了操作速度和鲁棒性，防止泄漏错误。我们发现，硅量子点量子计算机的组件技术已经掌握。
2002-04-10 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Strongly inhomogeneous distribution of spectral properties of silicon-vacancy color centers in nanodiamonds
金刚石中的硅空位色心是一种固态单光子发射体和自旋量子比特，适合作为量子器件的组成部分。在这里，我们表明，在纳米金刚石的SiV中心表现出强烈的不均匀分布的中心波长和线宽的零声子线（ZPL）在室温下的发射。我们发现，SiV中心分为两个集群：一组表现出ZPL的中心波长在约730 nm至742 nm的窄范围内，宽线宽在5 nm至17 nm之间，而第二组包括一个非常宽的分布的中心波长在715 nm和835 nm之间，但窄线宽从低于1 nm至4 nm。在量子化学从头算Kohn-Sham密度泛函理论计算的支持下，我们证明了第一组的ZPL位移可以用金刚石晶格中的应变来解释。此外，我们建议，第二组显示中心波长的强烈不均匀分布可能是由修改后的SiV中心。而单光子发射证明了SiV中心的两个集群，我们表明，从不同的集群的发射器显示不同的光谱特征，如声子边带谱的变化和不同的闪烁动力学。
2018-07-10 cond-mat.mes-hall quant-ph
GHz configurable photon pair generation from a silicon nonlinear interferometer
本文提出在硅波导非线性干涉仪中利用载流子耗尽型调制器实现1 GHz光子对产生调制，避免寄生损耗并降低功耗，为高速可编程非线性波导网络提供基础组件。
2023-05-25 physics.optics quant-ph
Electronic Correlations in Multielectron Silicon Quantum Dots
本文提出了一种基于Hartree-Fock理论的硅量子点建模方法，该方法考虑了强电子-电子相互作用、导带谷和有效质量等复杂性，揭示了电子-电子相互作用与谷自由度的重要性，并探讨了各向异性对量子点形成的影响。
2024-07-05 cond-mat.mes-hall quant-ph
Universal control of a six-qubit quantum processor in silicon
未来能够解决相关问题的量子计算机将需要大量可以可靠运行的量子比特。然而，具有大量子位计数和以高保真度操作的要求通常是冲突的。半导体量子点中的自旋显示出长期的前景，但到目前为止，演示使用1到4个量子位，并且通常优化单量子位或双量子位操作或初始化和读出的保真度。在这里，我们增加了量子位的数量，同时实现了普遍操作，状态准备和测量的可观的并行性。我们设计，制造和操作一个六量子位处理器，专注于仔细的哈密顿工程，在一个高层次的抽象编程的量子线路和高效的背景校准，所有这些都是必不可少的，以实现这个扩展系统的高精度。状态准备将测量初始化和实时反馈与量子非破坏测量相结合。这些进展将允许测试越来越有意义的量子协议，并构成迈向大规模量子计算机的主要垫脚石。
2022-02-18 cond-mat.mes-hall quant-ph
Quantum error correction with silicon spin qubits
大规模量子计算机依靠量子纠错来保护脆弱的量子信息。在量子计算设备的可能候选者中，基于硅的自旋量子比特由于其与成熟的纳米纤维技术的兼容性而具有很大的前景。硅基量子位的最新进展使得高质量的单量子位和双量子位系统的实现成为可能。然而，量子纠错的演示仍然是一个开放的挑战，它需要三个或更多的耦合量子位，往往涉及一个三量子位门。在这里，我们展示了一个硅中的三量子位相位校正码，其中编码的三量子位状态被保护免受三个量子位之一的任何相位翻转错误的影响。对这种编码状态的校正是通过三量子位条件旋转来执行的，我们通过高效的单步共振驱动iToffoli门来实现。正如预期的那样，误差校正减轻了由于一个量子位相位翻转引起的误差以及由于准静态相位噪声引起的固有失相。这些结果显示了量子纠错的成功实现以及硅基平台用于大规模量子计算的潜力。
2022-01-21 cond-mat.mes-hall quant-ph
Compact frequency multiplexed readout of silicon quantum dots in monolithic FDSOI 28nm technology
本研究基于28nm单片FDSOI工艺，首次实现两个共集成单电子晶体管的无谐振器片上频分复用读出，在4.2K下以2.2μs读出速度、1MHz频率间隔达到99.9%保真度，为大规模量子-经典架构奠定基础。
2024-10-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Spin-photon entanglement interfaces in silicon carbide defect centers
固态系统中的光学活性自旋可以被设计成发射与固体中的自旋纠缠的光子。这允许诸如量子通信、量子密钥分发和分布式量子计算之类的应用。最近，人们对碳化硅缺陷产生了浓厚的兴趣，因为它们发射的波长非常接近电信波长，使它们成为远程量子通信的优秀候选者。在这项工作中，我们制定了明确的计划，自旋光子纠缠在几个SiC缺陷：硅单空位，硅双空位，和NV中心的SiC。给出了不同的方法（i）单光子和自旋纠缠和（ii）纠缠光子长串的产生。后者被称为簇状态，并且包括用于基于测量的量子信息处理的资源。
2016-11-20 cond-mat.mes-hall quant-ph
Cluster quantum computer on the basis of quasi-part
本文讨论了由准粒子来扮演量子比特角色的量子计算机的可能性。在这样的计算机中，基本计算块应该代表基于顺磁性分子创建的簇。由于电子间关联的存在，后者在团簇中形成异质自旋态。
2011-02-19 cs.ET cs.OH quant-ph
Balanced k-Means Clustering on an Adiabatic Quantum Computer
Auburn University（奥本大学）；Oak Ridge National Laboratory（橡树岭国家实验室）
绝热量子计算机是近似解决具有挑战性的优化问题的一个有前途的平台。提出了一种量子方法来解决D-Wave 2000 Q绝热量子计算机上的平衡$k$ -均值聚类训练问题。现有的经典方法对于大型数据集的扩展性很差，只能保证局部最优解。我们表明，我们的量子方法更好地针对训练问题的全局解决方案，同时在大型数据集上实现更好的理论可扩展性。我们测试我们的量子方法上的一些小问题，并观察聚类性能类似于最好的经典算法。
2020-08-10 cs.LG physics.data-an quant-ph
