米乐(中国)官方网站 硅量子位高温运行成功

Keiji Ohno，高级研究员，石桥微器件工程实验室，RIKEN 先锋研究总部（全职研究员，量子效应器件研究组，紧急物质科学研究中心），米乐m6官方网站 (AIST)纳米电子研究部纳米CMOS集成组首席研究员Takahiro Mori领导的联合研究小组^※是硅量子位^[1]在10K高温（约-263℃）下。

这项研究成果创造了一种即使在小型冷却装置中也能运行的量子位，因此预计它将带来量子位的广泛应用，例如传感器。

硅电子自旋^[2]的硅量子位可以利用现有的硅晶体管制造技术来制造，并且由于其与传统硅集成电路良好的连接性而受到关注。然而，传统的硅量子位只能在01K以下（约-273℃）的极低温度下运行，并且需要大型设备对其进行冷却。

这次联合研究小组将重点关注深层杂质^[3]（铝-氮杂质对），我们实现了比以前高100倍以上的温度（10K）下的量子位操作。具体来说，隧道场效应晶体管^[4]将深层杂质引入结构中，并将电子从深层杂质中提取到晶体管电极。自旋闭合现象^[5]'' 用于读取量子位的状态作为晶体管的电气特性。

这项研究发表在英国科学杂志'科学报告''将以网络版发布（日本时间1月24日）。

图：隧道场效应晶体管（透射电子显微镜图像）并引入“深层杂质”（示意图）

※联合研究小组
理化学研究所先锋研究总部石桥微器件实验室
　　　　　　　　　　　　 大野敬二
（新兴物质科学研究中心量子效应器件研究组专职研究员）
产业技术综合研究所纳米电子学研究部纳米CMOS集成组
首席研究员森隆宏
国立材料科学研究所国际纳米结构研究中心
量子器件工程组
首席研究员森山聪

※研究支持
本研究得到日本学术振兴会（JSPS）科学研究补助金B“与硅MOS技术兼容的自旋量子位及其大规模集成（研究代表：大野敬二）”、“硅隧道晶体管在量子点器件中的应用研究（研究代表：森山聪）”和青年研究员A“隧道晶体管”的支持。该项目得到了基础研究A“通过纳米技术中的陷阱工程创建新功能器件（首席研究员：Takahiro Mori）”、基础研究A“创建用于硅量子位集成的基本自旋耦合技术（首席研究员：安田哲二）”和高级研究与开发支持计划（FIRST）“开发绿色纳米电子学核心技术” （主要研究员：横山直树）。”此外，该研究课题目前正在由RIKEN和AIST选定并支持，以根据RIKEN和AIST之间的基本协议实现世界首创/世界最佳技术（RIKEN-AIST“挑战研究”）的联合研究。

量子位是可以处于 0、1 或其量子力学叠加状态的位。通过组合大量的量子位，量子计算机^[6]，甚至单个量子比特也有望应用于传感器等。

特别是，利用硅中电子自旋的硅量子位可以使用现有的硅技术来制造，并且由于其与传统硅集成电路的良好连接性而引起人们的关注。然而，传统的硅量子位与使用超导电路的超导量子位一样，需要01 K（约-273°C）或更低的极低温环境才能运行。产生这种温度的冷却设备价格昂贵，每台约 1 亿日元，长度为 10m²的较大安装空间。

因此，联合研究小组尝试开发在比传统量子位更高的温度下运行的硅量子位。对于在高温下运行的量子位，评估需要一个小型、廉价的冷却装置，以便轻松交换样品，这可以通过节省研发成本、空间和时间来加速未来的研发。

硅量子位使用硅中的局域电子自旋态（向上、向下或量子叠加态）。对于在高温下运行的量子位热能引起的干扰^[7]更强的局域电子实现局域电子的一种方法是使用量子点结构，将电子三维地限制在狭窄的区域内。然而，为了利用这种方法实现强局域化，需要将电子限制在极小的区域内，而现代加工技术很难实现这一点。第二种方法是利用杂质。这利用了杂质形成的能级，相当于限制了单一杂质，即原子大小的量子点。到目前为止，已经使用了磷等常见杂质（浅层杂质），但浅层杂质的问题是电子不强局域化。因此，联合研究小组使用了硅中的“深层杂质”。除了磷、硼等浅层杂质外，已知硅中还存在许多深层杂质。与浅层杂质一样，可以利用现有技术将深层杂质引入到硅中。除了由单一元素构成的杂质之外，由铝和氮杂质紧密形成的杂质对也形成深层能级。因此，我们在本研究中使用铝-氮杂质对作为量子位。

要将量子位的状态读取为电信号，需要将深层杂质电子提取到晶体管电极。杂质电子向电极的转移为隧道效应^[8]然而，在传统的晶体管结构中，这隧道屏障^[8]变得太厚并且无法正确提取电子。因此，通过使用隧道场效应晶体管元件，我们成功地减薄了隧道势垒并将电子提取到电极（图1和图2）。

图1隧道场效应晶体管（透射电子显微镜图像）并引入“深层杂质”（示意图） 此次制造的硅量子比特实现的隧道场效应晶体管的透射电子显微镜图像中，引入的深层杂质显示为红点。从源电极流向漏电极的电子由栅电极处的电压控制。 1nm 是十亿分之一米。

图2 传统晶体管（左图）和隧道场效应晶体管（右图） 与源极和漏极均为N型的传统晶体管（左上图）不同，本次使用的隧道场效应晶体管由N型源极和P型漏极组成（右上图）。下图是从每个晶体管对应的传导电子看到的能量示意图。隧道场效应晶体管与传统晶体管的不同之处在于，其相对较薄的隧道势垒允许隧道传导穿过深能级。

我们利用自旋闭合现象来读取取出到电极的电子的自旋状态（图3）。在该方法中，当要读取自旋的杂质（目标杂质）的电子被引出到电极时，它们必须穿过另一个杂质（破坏杂质）才能被引出。然后，泡利不相容定律^[9]的量子力学效应，如果两种杂质具有相同的自旋态，电子就无法相互接近，也无法被提取到电极。

另一方面，当自旋态不同时，电子彼此接近并到达相同位置，因此它们可以通过断路器杂质被提取到电极。结果，可以将目标杂质的电子自旋状态作为电信号读出。除了这种读出方法之外，磁共振^[10]我们通过利用技术操纵电子自旋态来确认量子位的操作。

图3 通过自旋闭包读出自旋状态 晶体管的源极、漏极和两个杂质（目标和断路器）的示意图。左图显示了目标杂质的电子自旋与断路器杂质的电子自旋相同的情况（两者都显示为向上的箭头）。由于泡利不相容定律，目标杂质中的电子不能移动到破坏杂质。右图显示了电子自旋不同的状态(分别显示为向上和向下箭头)，目标杂质的电子自旋可以通过破坏杂质转移到漏极。

这次，我们使用铝-氮杂质对作为目标杂质，并使用器件中最初存在的浅层杂质作为断路器杂质。结果，我们成功地在最高温度10K（-263℃）下运行量子位。该温度比传统硅量子位的工作温度（01K以下）高出100倍以上。

另外，在本文中，联合研究小组是单电子传导^[11]评估单一深层杂质并证实即使在室温下，深层杂质中的电子也强烈局域化。

本研究中的工作温度上限限于10K，因为断路器杂质是浅层杂质，其自旋状态受到热能的干扰。将来，通过使用单独的深层杂质作为断路器杂质，我们可以期望在更高的温度下运行。

我们开发的高温硅量子位具有将单个量子位嵌入晶体管的结构，使其适合传感器等应用。未来的挑战将包括构建量子计算机所需的位对位耦合技术以及实现更可靠的控制技术。

<标题>
硅量子位的高温运行
<作者姓名>
小野敬二、森贵宏和森山聪
＜杂志＞
科学报告
＜DOI＞
101038/s41598-018-36476-z

[1] 量子位

以电子自旋等方向编码的最小信息单位。虽然普通数字电路以“0 或 1”两种状态存储信息，但量子位可以以任意组合表示“0 和 1”状态（叠加态）。[返回来源]

[2] 电子自旋

电子顺时针或逆时针旋转的内部旋转自由度。根据该旋转的方向，它由向上或向下的箭头表示。[返回来源]

[3]深层杂质

决定N型和P型极性的杂质，例如磷和硼，通常在接近价带或导带的带边缘的能量位置处产生杂质能级。这些被称为浅杂质，因为它们与能带边缘的能量差很小。除了一般的浅杂质外，还有许多已知的杂质在与能带边缘能量差较大的位置处产生能级，即在接近硅带隙中心的能量位置处具有能级，这些杂质被称为深杂质。还可以使用现有的硅技术（例如离子注入技术）将深层杂质引入硅中。除了由单一元素组成的杂质之外，在铝杂质和氮杂质附近形成的杂质对也形成深能级。本研究中使用了该铝-氮杂质对。即使在室温下，其中一些深层杂质电子也强烈局域化，从而在硅带隙深处产生杂质能级。[返回来源]

浅层杂质和深层杂质

[4] 隧道场效应晶体管

由N型源电极和P型漏电极组成，在被栅极电压驱动为P型（或N型）的沟道与N电极（P电极）之间流动的带间隧道（齐纳隧道）负责导通电流。它作为超低功耗器件而备受关注，因为它能够进行超过传统 MOSFET 理论极限的快速开关。短沟道长度的隧道场效应晶体管可以认为具有栅极调制PIN结构，当沟道中引入深层杂质时，隧道电流通过杂质能级（源极→深层杂质能级→漏极）在晶体管的源极和漏极之间流动。[返回来源]

[5]自旋闭合现象

当隧道电流通过两个杂质能级（源极→杂质能级1→杂质能级2→漏极）在晶体管的源极和漏极之间流动时，在满足某些条件时会出现与自旋状态相关的隧道效应。自旋依赖性基于泡利不相容定律，当每种杂质具有相同的自旋态时，杂质之间的隧道效应被阻挡，源极和漏极之间的电流被抑制。通过改变任一电子自旋的状态（反转量子位），该闭合被释放并且电流流动。由于它可以用相对简单的器件结构来实现，因此它已成为读取自旋量子位的标准方法之一。由于它可以在比形成量子位的两能级系统之间的能量差大得多的热能下起作用，因此它适合在高温下读取量子位。[返回来源]

[6]量子计算机

利用量子力学中的叠加实现大规模并行计算的计算机。量子算法已经开发出来，可以解决分解等问题，这些问题在传统计算机上需要几个小时的天文数字，并且被认为可以使超高速计算成为可能。[返回来源]

[7]热能干扰

像原子一样，硅中的局域电子也具有离散的能态。电子的局域性越强，这种离散性就越大。硅在一定温度下具有与该温度成正比的能量（热能），如果局域电子的离散能量间隔小于热能，电子将频繁且随机地移动到更高的能态。在这种情况下，量子态被破坏，并且不再充当量子位。[返回来源]

[8] 隧道效应，隧道屏障

当粒子遇到像势垒这样的高墙之类的东西时，经典力学认为，除非粒子获得克服势垒的动能，否则它无法到达势垒的另一侧。然而，对于电子等微粒来说，其运动需要量子力学来理解，即使没有获得高动能，它们也能以一定的概率滑过势垒。这种现象称为隧道效应或隧道现象。[返回来源]

[9] 泡利不相容定律

量子力学原理是两个或多个费米子不能占据同一个量子态，这里对应的是两个电子自旋不能在同一位置占据同一个状态。[返回来源]

[10]磁共振

电子自旋等磁矩在静磁场（本研究中约为 05 特斯拉）中以恒定角频率（约 10 GHz）绕静磁场方向（进动轴）进动。当在垂直于静磁场的方向上施加与该角频率相同频率的交变磁场时，磁矩总是在同一方向上感受到新的静磁场，并且进动轴发生变化。[返回来源]

[11]单电子传导

它的特征是通过杂质等局部能级出现在源极和漏极（源电极→局部能级→漏电极）之间的隧道传导中。由于杂质能级强烈局域化，因此在穿过它们的两个或多个电子之间会产生强烈的库仑斥力，从而抑制导电。这种库仑斥力可以通过调整栅极电压来补偿，但即使在这种情况下，也无法容纳多个电子进入杂质，因此电子通过局部能级在源极和漏极之间规则地一一流动。这种现象仅在温度小于库仑排斥能时发生。[返回来源]