(57)【要約】  装置は、平坦な上部表面を有する基板と、平坦な上部表面上に配置されている結晶半導体層の積層体と、積層体の上方に配置されている第１および第２の組の電極とを含む。結晶半導体層の積層体は、その中に２Ｄ量子井戸を有する。第１の組の電極は、積層体の横方向領域の対向する側部と境界を接しており、量子井戸の非空乏部分の幅を上部表面に沿って変動させるように制御可能である。第２の組の電極は、横方向領域と積層体の隣接する第１および第２の横方向エリアとの間の第１および第２のチャネルと境界を接しており、チャネルにおける量子井戸の非空乏部分の幅を変動させるように制御可能である。これらの電極は、第１の横方向エリアと第２の横方向エリアとをチャネルを経由して接続する直線が、電極のうちの１つと基板との間を通過するか、または、積層体の有効【数１】2015503235.tif 000044格子方向と不整列であるか、のいずれかであるように、配置されている。
2015503235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な上部表面を有する基板と、
前記平坦な上部表面上に配置されており２次元量子井戸を有する結晶半導体層の積層体と、
前記積層体の上方に配置されている第１の組の電極であって、前記積層体の横方向領域の対向する側部と境界を接しており、前記量子井戸の非空乏部分の幅を前記上部表面に沿って変動させるように制御可能である第１の組の電極と、
前記積層体の上方に配置されている第２の組の電極であって、前記横方向領域と前記積層体の隣接する第１および第２の横方向エリアとの間の第１および第２のチャネルと境界を接しており、前記量子井戸の非空乏部分の幅を変動させるように制御可能である第２の組の電極と、を備え、
前記電極が、前記第１の横方向エリアと前記第２の横方向エリアとを前記チャネルを経由して接続する直線が、前記電極のうちの１つと前記基板との間を通過するか、または前記積層体の有効
【数１】
2015503235.tif 000040
格子方向と不整列であるかのいずれかであるように配置されている、装置。
【請求項２】
前記直線が前記電極のうちの１つと前記基板との間を通過するように前記電極が配置されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記積層体が１組のＩＩＩ−Ｖ族半導体合金を含む、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記積層体が前記半導体層の実際の［００１］格子方向に沿って配向されており、前記有効
【数２】
2015503235.tif 000041
格子方向が前記層の実際の
【数３】
2015503235.tif 000042
格子方向である、請求項３記載の装置。
【請求項５】
別の組の前記電極が前記積層体の上方であって前記積層体の第２の横方向領域の対向する側部に隣接して配置されており、前記２つの横方向エリアが共通部分を有しておらず、前記電極のいくつかが、前記２つの横方向領域の間の前記量子井戸におけるチャネルの非空乏セグメントの前記上部表面に沿った幅を変動させるように制御可能である、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記２つの横方向領域のそれぞれの上方に配置された少なくとも１つの点状の電極を更に備える、請求項５記載の装置。
【請求項７】
２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴を、半導体層積層体の中央および外部横方向領域と、前記半導体層積層体のチャネルとに閉じ込めるステップであって、前記チャネルは前記中央横方向領域を前記外部横方向領域に接続しており、前記チャネルを経由して前記外部横方向領域を接続するそれぞれの直線は、２ＤＣＣＧ空乏領域を横断するか、または前記半導体層積層体の有効
【数４】
2015503235.tif 000043
格子方向と不整列であるかのいずれかである、ステップと、
前記中央領域の１つにおいて前記ＦＱＨＥ液滴の一部の上方に配置された第１の電極に電圧バイアスを印加することにより、荷電準粒子励起を局所的にトラップするステップと、
を含む方法。
【請求項８】
前記第１の電極から、前記ＦＱＨＥ液滴の横方向に離れた第２の部分の上方に配置された第２の電極に、別の荷電準粒子励起を移動させるステップを更に含み、前記横方向に離れた第２の部分は、前記中央横方向領域のうちの別の１つに配置されている、請求項７記載の方法。
【請求項９】
次に、準粒子またはエッジ励起が前記ＦＱＨＥ液滴の２つのエッジの間で後方散乱するように、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたチャネルを制御する上部電極の電圧バイアス印加を変化させるステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
局所的にトラップする前記ステップによって生成されるＦＱＨＥ状態の値を決定するステップを更に含む、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１１年１２月２日にロバート・Ｌ・ウィレット（Robert L. Willett）によって出願された米国仮特許出願第６１／５６６３５７号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般に、半導体量子井戸デバイスと、そのようなデバイスを作製および／または使用するための方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
このセクションでは、本発明に関するよりよい理解を容易にすることの助けとなりうる態様を紹介する。したがって、このセクションにおける記載は、その見地から読まれるべきであり、何が従来技術であり何が従来技術でないということについての承認として理解されるべきではない。
【０００４】
分数量子ホール効果（ＦＱＨＥ：fractional quantum Hall effect）は、強い外部磁場における電荷キャリアの間での集合的な効果に起因する１組の特別な平衡状態を生成する。この特別の平衡状態は、外部磁場において生じる磁気ランダウ準位の特別の充填値において生じる。そのような特別な平衡状態においては、トラップされた２次元電荷キャリア・ガス（２ＤＣＣＧ）が非圧縮性流体液滴として振る舞うことがあり、電流が、流体液滴のエッジにおける励起を経由して、そのようなガスにより、移動されうる。
【０００５】
いくつかのＦＱＨＥシステムは、多重励起状態が非可換統計（nonabelian statistics）に従う量子コンピュータの実現を提供しうる。この理由により、そのような多重励起状態を、量子コンピュータにおける量子ビットの状態を表すのに用いることができる。非可換統計の位相的性質により、物理系に摂動を加わることからそのような状態を保護することができる。この理由により、そのような励起状態により、量子コンピュータの他の態様で実現する場合よりも計算誤差の生じやすさがはるかに低い量子コンピュータを実現することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，９６０，７１４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１０／０３０８３０２号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．９４（２００５）  １６６８０２−１頁〜１６６８０２−４頁
【発明の概要】
【０００８】
ある実施形態は、平坦な上部表面を有する基板と、平坦な上部表面上に配置されている結晶半導体層の積層体（sequence）と、積層体の上方に配置されている第１および第２の組の電極とを含む装置である。結晶半導体層の積層体は、その中に２次元（２Ｄ）量子井戸を有する。第１の組の電極は、積層体の横方向領域の対向する側部と境界を接しており、量子井戸の非空乏部分の幅を上部表面に沿って変動させるように制御可能である。第２の組の電極は、横方向領域と積層体の隣接する第１および第２の横方向エリアとの間の第１および第２のチャネルと境界を接しており、量子井戸の非空乏部分の幅を変動させるように制御可能である。これらの電極は、第１の横方向エリアと第２の横方向エリアとをチャネルを経由して接続する直線が、電極の内の１つと基板との間を通過するか、または、結晶半導体層の積層体の有効
【数１】
2015503235.tif 000003
格子方向と不整列であるか、のいずれか一方であるように、配置されている。
【０００９】
上述した装置の任意のものにおいて、積層体は、実質的に半導体層の実際の［００１］格子方向に沿って配向することが可能であり、有効
【数２】
2015503235.tif 000004
格子方向は層の実際の
【数３】
2015503235.tif 000005
でありうる。
【００１０】
上述した装置の任意のものにおいて、積層体は、１組のＩＩＩ−Ｖ族半導体合金を含みうる。
【００１１】
上述した装置の任意のものにおいて、電極を、直線が少なくとも１０度だけ有効
【数４】
2015503235.tif 000006
格子方向と不整列であるように、配置することができる。
【００１２】
上述した装置の任意のものにおいて、この装置は、更に、横方向領域の上方に配置された少なくとも２つの点状電極を更に含みうる。
【００１３】
上述した装置の任意のものにおいて、第２の組の電極は、量子井戸におけるＦＱＨＥ液滴の１つのエッジに沿って伝播するエッジ電流を、そのＦＱＨＥ液滴の対向するエッジに後方散乱させるように動作可能でありうる。
【００１４】
上述した装置の任意のものにおいて、別の組の電極が、積層体の上方であって、積層体の第２の横方向領域の対向する側部に隣接して配置されうる。これら２つの横方向エリアが共通部分を有しておらず、電極のいくつかが、２つの横方向領域の間の量子井戸におけるチャネルの非空乏セグメントの上部表面に沿った幅を変動させるように制御可能である。いくつかのそのような装置は、２つの横方向領域のそれぞれの上方に配置された少なくとも１つの点状の電極を更に含むことがある。いくつかのそのような装置は、点状電極の間と、１対のゲート電極の間とにおいて、積層体の上方に配置されたブリッジ電極を更に含むことがあり、このブリッジ電極は、局所化されたＦＱＨＥ励起を、点状電極の間で移動させるように動作可能である。
【００１５】
別の実施形態では、方法が、２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴を、半導体層積層体の中央および外部横方向領域と、半導体層積層体のチャネルとに閉じ込めるステップを含む。チャネルは、中央横方向領域を外部横方向領域に接続しており、チャネルを経由して外部横方向領域を接続するそれぞれの直線は、２ＤＣＣＧ空乏領域を横断するか、または、半導体層積層体の有効
【数５】
2015503235.tif 000007
格子方向と不整列であるか、のいずれか一方である。この方法は、また、中央領域の１つにおいてＦＱＨＥ液滴の一部の上方に配置された第１の電極に電圧バイアスを印加する（voltage-biasing）ことにより、荷電準粒子励起（charged quasiparticle excitation）を局所的にトラップするステップも含む。
【００１６】
いくつかの実施形態では、上述した方法は、第１の電極から、ＦＱＨＥ液滴の横方向に離れた第２の部分の上方に配置された第２の電極に、別の荷電準粒子励起を移動させるステップを更に含む。横方向に離れた部分は、中央横方向領域の内の別の１つに配置されている。
【００１７】
いくつかの実施形態では、上述した方法の任意のものは、準粒子またはエッジ励起がＦＱＨＥ液滴の２つのエッジの間で後方散乱するように、第１の電極と第２の電極との間に配置されたチャネルを制御する上部電極の電圧バイアスの印加を変化させるステップを更に含みうる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、上述した方法の任意のものは、局所的にトラップするステップによって生成されるＦＱＨＥ状態の値を決定するステップを更に含みうる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、上述した方法の任意のものにおいては、積層体は、その積層体の半導体層の実際の［００１］格子方向に沿った方向に配向され、有効
【数６】
2015503235.tif 000008
格子方向は、層の実際の
【数７】
2015503235.tif 000009
格子方向である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】２次元電荷キャリアガス（２ＤＣＣＧ）のＦＱＨＥ液滴における励起状態を維持および操作するための構成を概略的に図解している斜景図である。
【図２Ａ】例えば、図１の構成において、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのプレーナ構造のある実施形態の平面図である。
【図２Ｂ】例えば、図１の構成において、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのプレーナ構造の別の実施形態の平面図である。
【図２Ｃ】例えば、図１の構成において、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのプレーナ構造の更に別の実施形態の平面図である。
【図３Ａ】例えば、図１の構成において、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのプレーナ構造の別の実施形態の平面図である。
【図３Ｂ】例えば、図１の構成において、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのプレーナ構造の別の実施形態の平面図である。
【図４Ａ】例えば、図１の構成において、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのプレーナ構造の別の実施形態の平面図である。
【図４Ｂ】例えば、図１の構成において、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのプレーナ構造の別の実施形態の平面図である。
【図５Ａ】例えば、図１の構成において、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのプレーナ構造の別の実施形態の平面図である。
【図５Ｂ】例えば、図１の構成において、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのプレーナ構造の別の実施形態の平面図である。
【図６Ａ】例えば、図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂのプレーナ構造など、図１のプレーナ構造のための層の積層体の断面図である。
【図６Ｂ】アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、および／またはヒ素（Ａｓ）の合金で形成された図６Ａのプレーナ構造の実施形態の２次元（２Ｄ）量子井戸構造における垂直方向の深さの関数としてアルミニウム（Ａｌ）のパーセンテージを表すグラフである。
【図７】例えば、図１の構成において図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および／または５Ｂのプレーナ構造を用いて、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作する方法を概略的に図解する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図面および本文においては、同様の参照番号は、機能的および／または構造的に類似の要素を意味する。
【００２２】
図面においては、いくつかの外形の相対的な寸法が、その図面において装置をより明確に図解するために、誇張されている場合がある。
【００２３】
本出願では、様々な実施形態が、図面と以下の発明を実施するための形態とによって、より十分に説明される。しかし、本発明は、様々な形式で実施することが可能であり、図面と発明を実施するための形態とにおいて説明されている特定の実施形態に限定されることはない。
【００２４】
２０１１年１２月２日にロバート・Ｌ・ウィレット（Robert L. Willett）により出願された米国仮出願第６１／５６６３５７号は、その全体が、参照により、本出願に組み入れられる。
【００２５】
本明細書では、結晶層の有効
【数８】
2015503235.tif 000010
格子方向とは、層の実際の
【数９】
2015503235.tif 000011
格子方向と、層の
【数１０】
2015503235.tif 000012
と均等な成長方向とを意味する。
【００２６】
【数１１】
2015503235.tif 000013
と均等な成長方向とは、結晶層の成長表面に沿った方向であって、その成長面に沿った他の方向に対してよりもエピタキシャル成長が相対的に高速であった方向である。そのような層の表面形態は、単位セルもしくは原子スケールのテラス構造（terracing）またはより大きなスケールのラインを含むことが多く、これらは、主に、そのような
【数１２】
2015503235.tif 000014
と均等な成長方向に沿って整列されている。例えば、層の実際の［００１］格子方向に沿ってエピタキシャル成長しており０≦ｘ≦１を満足する合金パラメータｘを有するＡｌｘＧａ［１−ｘ］Ａｓの層の場合には、そのようなラインまたは単位セルもしくは原子スケールのテラスは、多くの場合、ほとんどが層の実際の
【数１３】
2015503235.tif 000015
の格子方向に沿って整列していることが観察される。
【００２７】
図１は、例えば分数量子ホール効果（ＦＱＨＥ）液滴のエッジ励起に干渉することによって、ＦＱＨＥ液滴の励起状態を操作するためのハードウェア構成１０を図解している。ハードウェア構成１０は、プレーナ型半導体デバイス１２と、低温冷却システム１４と、磁石１６とを含む。
【００２８】
ハードウェア構成１０は、例えば、強磁場における電荷キャリアのＦＱＨＥ流体の励起を操作するのに、有用でありうる。そのような例示的な使用のために、プレーナ型半導体デバイス１２は、外部磁場Ｈのランダウ準位における２次元電荷キャリアガス（２ＤＣＣＧ）の液滴を、例えばそのランダウ準位の様々な選択された充填率に対して、横方向に閉じ込めることができる。例えば開領域（２，４）における２を超える充填率に対し、プレーナ型半導体デバイス１２は、例えば約５／２、１２／５、または７／２の充填率において非可換統計に従いうるＦＱＨＥ流体の励起を生成および／または操作するために用いることできる。いくつかの実施形態において、そのようなＦＱＨＥ状態は、量子コンピュータにおける量子ビットの表現を提供することができる。特に、ハードウェア構成１０は、量子ビットのそのような表現の値の生成、変更、および／またはチェックするのに、用いることができる。例えば、量子ビットの個別の状態は、例えばそのようなＦＱＨＥ液滴の異なるエッジ状態であるＦＱＨＥ液滴の異なる通電状態に対応しうる。
【００２９】
ハードウェア構成１０において、半導体デバイス１２は、層積層体１８と、通電および／または電圧測定リード２２と、電気制御リード２４と、結晶基板２６とを含む。層積層体１８は、２ＤＣＣＧを垂直方向に閉じ込めるための２次元（２Ｄ）量子井戸構造を含む。半導体デバイス１２は、また、２ＤＣＣＧの非圧縮性ＦＱＨＥ液滴の一部を横方向に閉じ込めるための上部動作電極３６を含む。上部電極３６は、また、上記ＦＱＨＥ液滴の横方向エッジおよび／または励起を操作するのにも用いることが可能な場合がある。
【００３０】
ハードウェア構成１０において、層積層体１８は、基板２６の平坦な表面の上方にまたは直接その上に配置された結晶半導体層の積層体である。この半導体層の積層体は、２Ｄ量子井戸を形成する。層積層体１８は、平坦な上部表面を有しており、その中の個々の結晶半導体層が、典型的には、上述した平坦な上部表面と平行に延長している。この積層体において、個々の半導体層は、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体のドープされたおよび／またはドープされていない合金でありうる。例えば、この積層体は、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）とヒ化アルミニウムガリウム、すなわちＡｌｘＧａ［１−ｘ］Ａｓの層を含みうる。ＡｌｘＧａ［１−ｘ］Ａｓの層においては、合金パラメータｘが層の間で変動しうる。そのような実施形態において、この積層体は、例えば個々のＩＩＩ−Ｖ族半導体層の［００１］格子方向に沿って延長しうることにより、その実際の
【数１４】
2015503235.tif 000016
格子方向は、この積層体の平坦な上部表面にほぼ沿って存在する。ドーパント原子は、好ましくは、２ＤＣＣＧを閉じ込める半導体層から離れている。すなわち、上述したドーパント原子が、閉じ込められている２ＤＣＣＧから離れて配置され、この２ＤＣＣＧにドーパント原子により加わる摂動がより少なくなるように、半導体層の積層体を変調ドープすることが好ましい。
【００３１】
ハードウェア構成１０において、上部動作電極３６は、ＦＱＨＥ液滴に対して横方向に、すなわち層積層体１８の上部表面に沿って横方向に、配置されている。上部動作電極３６は、垂直方向に閉じ込められている２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴の制御と操作とを可能にするように接続されている。上部動作電極３６は、そのようなＦＱＨＥ液滴の一部の横方向エリアを変動させるように、すなわち層積層体１８の上部表面に沿って変動させるように、用いることができる。上部動作電極３６は、また、そのようなＦＱＨＥ液滴上にエッジ励起を後方散乱させるのに、および／または、そのようなエッジ励起の干渉を生じさせ制御するのに、用いることができる。いくつかの実施形態では、上部動作電極３６は、そのようなＦＱＨＥ液滴の現在の状態によって表される量子ビットの状態を初期化および／または変更できる。
【００３２】
構成１０において、低温冷却システム１４は、プレーナ構造１８を、例えば５／２、１２／５、または７／２の充填率を有するようなＦＱＨＥ状態を生じさせるほど十分に低い温度まで冷却することができる。特に、低温冷却システム１４は、プレーナ構造１８を、例えば５０ｍＫ〜１５０ｍＫなどの１５０ミリ・ケルビン（ｍＫ）よりも低い温度まで、好ましくは例えば１００ｍＫ〜５０ｍＫなどの１００ｍＫよりも低い温度まで、そして場合によっては例えば２０ｍＫなどの５０ミリ・ケルビン（ｍＫ）より低い温度まで、冷却することができる。低温冷却システム１４は、そのような冷却を生じさせるために、例えば、従来型のＨｅ３、Ｈｅ４希釈冷凍器を含みうる。
【００３３】
ハードウェア構成１０において、磁石１６は、例えば大きさが約５テスラ以上である磁場のような、層積層体１８の上部表面の近傍にあり上部表面に垂直方向のやや強い外部磁場Ｈを生成することができる。磁場Ｈは、例えば磁気ランダウ準位が約５／２、１２／５、または７／２の充填率を有する状態のような、２ＤＣＣＧに所望のＦＱＨＥ状態を生じさせるのに十分な大きさを有する。磁場Ｈは、例えば、層積層体１８の全体において実質的に一様でありうる。
【００３４】
ハードウェア構成１０において、通電および電圧測定リード２２は、例えば従来型の４端子配列を経由して、２Ｄ量子井戸に横方向に閉じ込められている２ＤＣＣＧに対して通電および／または電圧測定を可能にすることができる。制御リード２４を操作して２ＤＣＣＧの２Ｄ量子井戸の選択された横方向領域を部分的にまたは完全に空乏化することができるので、２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴が、２Ｄ量子井戸のある選択された横方向領域に閉じ込められる。本明細書において、空乏とは、半導体構造または２Ｄ量子井戸の横方向領域に、そこに閉じ込められる２ＤＣＣＧの電荷キャリアが存在しない状態を意味する。
【００３５】
図２Ａ〜図２Ｃは、図１のプレーナ構造１２のための様々な代替的な実施形態１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを図解している。底部から上部に向かって、プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃのそれぞれは、結晶基板２６と、下部バリア層と隣接する井戸層と隣接する上部バイア層とを少なくとも含む層積層体と、を含む。すなわち、層積層体は、２Ｄ量子井戸を形成する結晶半導体層を少なくとも含む。
【００３６】
層積層体の上部表面の上方において、プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃは、第１の組の上部電極４４Ａ、４４Ｂと、第２の組の上部電極４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄとを含む。第１の組の上部電極４４Ａ、４４Ｂは、層積層体の横方向中央領域Ｃ１の対向する側部に隣接して、配置されている。第２の組の上部電極４２Ａ〜４２Ｄは、中央領域Ｃ１を層積層体の左右の横方向領域ＬおよびＲそれぞれに接続する第１および第２のチャネル４８、５０の横方向の側部に隣接して、配置されている。すなわち、上部電極４４Ａ〜４４Ｂおよび４２Ａ〜４２Ｄの境界は、層積層体の中央、左、および右領域Ｃ１、Ｌ、Ｒの横方向の境界を画定する。特に、中央、左、および右領域Ｃ１、Ｌ、Ｒと、チャネル４８、５０とは、上部電極４４Ａ〜４４Ｂ、４２Ａ〜４２Ｄの任意のものの一部と基板２６（図２Ａ〜図２Ｃには示されていない）との間に配置されていない層積層体の横方向領域として、画定される。
【００３７】
層積層体の半導体層は、結晶性であり、例えば、その界面に沿って配向されており、［００１］格子方向に沿って延長しうる積層体に沿った方向と垂直に配向されている有効
【数１５】
2015503235.tif 000017
格子方向を有する。この有効
【数１６】
2015503235.tif 000018
格子方向に関して、上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｂは、特別の形態および位置を有する。上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｂの形態および位置により、第１および第２のチャネル４８、５０は、特別な相対位置を有することになる。特に、第１のおよび第２のチャネル４８、５０を経由して横方向左側領域Ｌを横方向右側領域Ｒに接続する任意の直線は、例えば１０度以上もしくは３０度以上も不整列であるなど、有効
【数１７】
2015503235.tif 000019
格子方向に対して実質的に不整列であるか、または、上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｂのうちの１つの一部と図１の基板２６との間を通過するかの、いずれか一方である。すなわち、すべてのそのような線は、特別な有効
【数１８】
2015503235.tif 000020
格子方向と実質的に不整列であるか、または、上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｂのうちの１つの一部の下を通過するかの、いずれか一方である。
【００３８】
上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｂの位置および形態に対する上述した制約は、２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴４６を生成するおよび／または操作するのにプレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃが用いられることを可能にするのに役立つ可能性があると考えられている。特に、本発明者は、上述した制約を満たすように上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｂを構築することにより、ＦＱＨＥ流体を生じさせるのに用いられる温度と何らかの磁場強度とにさらされるときに、プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃが２ＤＣＣＧのストライプ状の状態を生じる可能性を低くすることができるのが通常であると考えている。そのようなストライプ状の状態では、横方向に閉じ込められた２ＤＣＣＧは、例えば充填率２の場合では第１の整数ＱＨＥ状態において横方向のストライプを有し、別の整数充填率では第２の整数ＱＨＥ状態において隣接する横方向のストライプを有する。他のタイプの２Ｄ量子井戸デバイスでは、本発明者は、例えば開区間（２，４）において、表面で平均された充填率が１よりも大きなときには、そのようなストライプ状の状態を生成することはより容易であると考えている。そのようなストライプ状の状態が形成されると、２ＤＣＣＧにおいてＦＱＨＥ状態を生成するのに量子井戸構造は有用でないのが典型的である。したがって、例えば量子コンピュータ用の量子ビットを表現するためのように、そのような２Ｄ量子井戸構造がＦＱＨＥの応用のために用いられるときには、横方向に閉じ込められた２ＤＣＣＧがそのようなストライプ状の状態を形成する傾向を有することは、望ましくないのが通常である。
【００３９】
図２Ａ〜図２Ｃでは、上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｂに対する上述した制約を様々なプレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃが満たす異なる方法を図解している。すなわち、プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃは、上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｂのための異なる複数のレイアウトを提供するものと考えられ、これらのレイアウトは、横方向に閉じ込められた２ＤＣＣＧにおけるＦＱＨＥ液滴を形成するのに用いられる条件の下ではそのようなストライプ状の状態が形成されることを防止する可能性が高い。
【００４０】
図２Ａを参照すると、プレーナ構造１２Ａは、第１のチャネル４８と第２のチャネル５０とを接続するそれぞれの直線がほぼ「ｘ」方向に沿った向きを有するように、構築される。ここで、「ｘ」方向は、［００１］格子方向に沿って延長する層積層体の有効
【数１９】
2015503235.tif 000021
格子方向に対して実質的に不整列である。図２Ａは、有効
【数２０】
2015503235.tif 000022
格子方向を、プレーナ構造１２Ａの上部表面に沿った向きを有するものとして図解している。このような例では、チャネル４８、５０の間のどの直線も、少なくとも、例えば１０度〜９０度までなどの１０度以上、または、例えば３０度〜９０度までなどの３０度以上である角度αだけ、上述した有効
【数２１】
2015503235.tif 000023
格子方向と不整列である。実際、不整列は、有効
【数２２】
2015503235.tif 000024
格子方向がプレーナ構造１２Ａの上部表面に沿っており、「ｘ」方向と直交する「ｙ」方向に沿った向きを有するほどの大きさでありうる。
【００４１】
図２Ｂを参照すると、プレーナ構造１２Ｂは、中央領域Ｃ１を経由して左側の領域Ｌと右側の領域Ｒとを接続するそれぞれの直線が第２の組の上部電極４２Ａ〜４２Ｄの内の１つの下を通過するセグメントを有するように、構築される。特に、上部電極４２Ａ〜４２Ｄは、非対称的に形成されることにより、例えば破線であるチャネル４８、５０を接続するどの直線も、上部表面に沿っている有効
【数２３】
2015503235.tif 000025
格子方向に対して実質的に不整列、すなわち、角度αだけ不整列である。この場合においても、不整列の角度αは、例えば１０度〜９０度までのように１０度以上、または、３０度〜９０度までのように３０度以上であることさえありうる。
【００４２】
図２Ｃを参照すると、プレーナ構造１２Ｃは、第１のチャネル４８と第２のチャネル５０とを接続するどの直線も第１の組の上部電極４４Ａの内の１つの下を通過するセグメントを有するように、構築される。特に、上部電極４４Ａは、横方向中央領域Ｃ１のセクションの幅を減少させる延長Ｅを有することにより、チャネル４８、５０を経由して左側横方向領域Ｌと右側横方向領域Ｒとを接続するどの直線も、その直線が半導体層の有効
【数２４】
2015503235.tif 000026
格子方向にほぼ沿っている場合であっても、上述の延長Ｅの下を通過する。
【００４３】
プレーナ構造１２Ｃのいくつかの代替の実施形態では、有効
【数２５】
2015503235.tif 000027
格子方向もまた、第１のチャネル４８と第２のチャネル５０とを接続するどの直線に対しても、実質的に不整列でありうる。
【００４４】
図２Ａ〜２Ｃを参照すると、プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃは、例えば、異なるＩＩＩ−Ｖ族の合金の結晶層の層積層体を有しうる。例えば、層積層体は、エピタキシャル成長したＡｌｘＧａ［１−ｘ］Ａｓの下部バリア層と、隣接するＧａＡｓ井戸層と、隣接するＡｌｙＧａ［１−ｙ］Ａｓ上部バリア層とを含みうる。なお、ｘおよびｙは、０＜ｘ，ｙ＜１である。層積層体がＩＩＩ−Ｖ族の層の［００１］結晶格子方向に沿って延長することにより、実際の
【数２６】
2015503235.tif 000028
格子方向は、層積層体の平坦な上部表面に沿った向きを有しうる。すなわち、図２Ａ〜２Ｃに図解されているようになる、あるいは、層積層体が異なる格子方向に沿って延長することにより、例えば、有効
【数２７】
2015503235.tif 000029
格子方向は、層積層体の平坦な上部表面に沿った向きを有しうる。
【００４５】
プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃは、２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴４６を生成するおよび／または操作するのに用いることができる。なお、ＦＱＨＥ液滴４６は、例えば中央、左側、および右側の横方向領域Ｃ１、Ｌ、Ｒのように、２Ｄ量子井戸の横方向部分に閉じ込められている。特に、そのような液滴を生じさせるために、２ＤＣＣＧは、強磁場Ｈにさらされることがある。強磁場Ｈは、プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃの上部表面に対して法線方向の向きを有し、他方で、プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃは、例えば図１の構成１０において、非常な低温に維持される。そのような状況において、ＦＱＨＥ液滴４６は、その横方向の範囲が図２Ａ〜２ＣのＣからＡに至る滑らかな曲線によって指示されている上部エッジと、その横方向の範囲が図２Ａ〜２ＣのＢからＤに至る滑らかな曲線によって指示されている下部エッジとを有することができる。プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃは、第２の組のチャネル開閉（channel-gating）上部電極すなわち電極対（４２Ａ、４２Ｂ）および（４２Ｃ、４２Ｄ）と第１の組の横方向閉じ込め上部電極（４４Ａ、４４Ｂ）の対とに印加された電圧により、ＦＱＨＥ液滴４６の横方向エッジの位置を制御できる。
【００４６】
特に、上部電極４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ、４４Ａ、４４Ｂに電圧を印加することにより、２Ｄ量子井戸の直下にある領域を空乏化する、および／または、２ＤＣＣＧの下のそのような領域に近接する２Ｄ量子井戸のいくつかの領域を空乏化することができる。例えば、印加された電圧が２ＤＣＣＧにおける電荷キャリアに対して反発するクーロン電位を生じる場合には、印加された電圧は、例えばＦＱＨＥ液滴４６のような２ＤＣＣＧの液滴を、例えば横方向領域Ｃ１、Ｌ、およびＲのような２Ｄ量子井戸の横方向領域に閉じ込めることができるクーロン電位を生じる。実際、そのような印加電圧の一部を用いて、２ＤＣＣＧのそのように横方向に閉じ込められたＦＱＨＥ液滴のエッジを操作することも可能である。例えば、２ＤＣＣＧの電荷キャリアが電子である場合には、上部電極４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ、４４Ａ、４４Ｂの１つまたは複数に印加される負の電圧の大きさを増大させることにより、印加される負の電圧の大きさがその上で増大される上部電極４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ、４４Ａ、４４Ｂの１つまたは複数の近傍では、トラップされた電子の局所的な空乏化が増大する。このように、そのように印加される負の電圧の大きさを増大させることにより、２Ｄ電子ガスのそのような横方向に閉じ込められたＦＱＨＥ液滴４６のエッジが、印加される負の電圧の大きさがその上で増大される上部電極４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ、４２Ｄ、４４Ａ、４４Ｂの１つまたは複数のエッジから、横方向に更に離れるように移動する。
【００４７】
様々な実施形態においては、３対の上部電極すなわち（４２Ａ、４２Ｂ）、（４２Ｃ、４２Ｄ）、および（４４Ａ、４４Ｂ）という対が個別的にバイアスされることで、ＦＱＨＥ液滴４６の異なる横方向領域の別個の制御が、可能になる。横方向に閉じ込めるための上部電極４４Ａ、４４Ｂにより、横方向中央領域Ｃ１に閉じ込められたＦＱＨＥ液滴４６の部分の横方向の幅が制御される。横方向の閉じ込めへの電圧バイアスを変動させると、上部電極４４Ａおよび４４Ｂは、横方向中央領域Ｃ１におけるＦＱＨＥ液滴４６の部分の上下それぞれの横方向の境界を移動させることができる。チャネル開閉のための上部電極４２Ａ、４２Ｂは、チャネル４８の非２ＤＣＣＧ空乏部分の横方向の幅を制御する。なお、チャネル４８は、横方向中央領域Ｃ１におけるＦＱＨＥ液滴４６の部分と横方向左側領域ＬにおけるＦＱＨＥ液滴４６の部分とを接続している。チャネル開閉のための上部電極４２Ｃ、４２Ｄは、横方向中央領域Ｃ１におけるＦＱＨＥ液滴４６の部分と横方向右側領域ＲにおけるＦＱＨＥ液滴４６の部分とを接続するチャネル５０の非２ＤＣＣＧ空乏部分の横方向の幅を制御する。
【００４８】
チャネル開閉のための第２の組の上部電極のそれぞれの対、すなわち対（４２Ａ、４２Ｂ）および（４２Ｃ、４２Ｄ）に印加される電圧は、更に、ＦＱＨＥ液滴４６のエッジ励起がＦＱＨＥ液滴４６の上部エッジＣ〜Ａと下部エッジＢ〜Ｄとの間にトンネルを生じる確率を制御することができる。チャネル４８、５０の一方の非２ＤＣＣＧ空乏部分の幅が縮小されると、チャネル４８、５０のその一方に近づくＦＱＨＥ液滴４６のエッジ励起が、後方散乱されることがある。そのような後方散乱は、そのようなエッジ励起のＦＱＨＥ液滴４６の反対側のエッジへのトンネルを生じさせる可能性があり、および／または、図２Ａ〜２Ｃにおけるエッジ励起の一般的な右方向へのもしくは左方向への伝播方向を反転させる可能性がある。このように、チャネル開閉のための上部電極（４２Ａ、４２Ｂ）および（４２Ｃ、４２Ｄ）というそれぞれの対における電圧を調整することにより、ＦＱＨＥ液滴４６の対向するエッジにエッジ励起のそのような後方散乱を生じさせるか、または、そのような後方散乱を禁じるかの、いずれか一方を生じさせることができる。
【００４９】
そのような後方散乱に基づき、プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃを、ＦＱＨＥ液滴４６の準粒子またはエッジ励起に干渉するのに用いることができる。例えば、２対のチャネル開閉のための上部電極すなわち（４２Ａ、４２Ｂ）および（４２Ｃ、４２Ｄ）という対を、両方のチャネル４８、５０でそのような後方散乱が生じるように設定できる。次に、ＦＱＨＥ液滴４６の下部エッジに対して左側から入来するエッジまたは励起は、左側チャネル４８と右側チャネル５０との両方において、後方散乱させることが可能である。チャネル４８、５０の異なるもので後方散乱を生じるそのようなエッジ励起は、横方向左側の領域ＬにおいてＦＱＨＥ液滴４６の上側エッジに対して干渉を生じうる。そのような干渉の形式は、例えば閉じ込め用の上部電極４４Ａ、４４Ｂに印加された電圧を変動させるなど、横方向中央領域Ｃ１に閉じ込められたＦＱＨＥ液滴の部分の面積を変化させることによって、変動させることが可能である。特に、右側チャネル５０において後方散乱を生じた準粒子またはエッジ励起と関連する波動関数は、準粒子励起の数と横方向中央領域Ｃ１におけるＦＱＨＥ液滴４６の部分における磁束量子とによって固定される追加の位相を受け取る。このように、横方向の閉じ込め用電極４４Ａ、４４Ｂに印加された電圧を経由してＦＱＨＥ液滴４６の上述した中央に閉じ込められた部分の面積を変化させることにより、２つのチャネル４８、５０におけるエッジまたは準粒子励起のそのような後方散乱の間の干渉の形式を変更することが可能である。
【００５０】
上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｂは、面積が約２μｍ２以下である横方向中央領域Ｃ１の実施形態を実質的に包囲することができる。チャネル開閉のための上部電極（４２Ａ、４２Ｂ）および（４２Ｃ、４２Ｄ）は、約１μｍの例示的な幅を有しうるのであって、この開閉のための上部電極（４２Ａ、４２Ｂ）および（４２Ｃ、４２Ｄ）のそれぞれの対の対向する遠位先端部は、約０．６μｍ以下という例示的なギャップによって分離することができる。低温では、プレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃは、チャネル４８、５０において後方散乱を生じたエッジ励起に干渉するように、操作することが可能であり、例えば電荷ｅ／２、ｅ／４の準粒子の存在を指示するように、または、５／２、１２／５、および／または７／２というランダウ準位充填率に対するＦＱＨＥ液滴４６における他の適切な値を指示するように、用いることが可能である。
【００５１】
図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂは、図１に図解されているプレーナ構造１２の実施形態１２Ａ’、１２Ｂ’、１２Ａ’’、１２Ｂ’’、１２Ａ’’’、および１２Ｂ’’’を図解している。これらは、例えば、図２Ａ〜２Ｃに図解されているプレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃの特定の実施形態である。プレーナ構造１２Ａ’〜１２Ｂ’、１２Ａ’’〜１２Ｂ’’、および１２Ａ’’’〜１２Ｂ’’’は、上部電極４２Ａ〜４２Ｄ、４４Ａ〜４４Ｆを有しているが、これらは、２Ｄ量子井戸の横方向部分にトラップされている２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴４６を生成する、および／または、操作するように動作させることが可能である。このようなＦＱＨＥ液滴４６は、例えば図１のハードウェア構成１０との関係で既に論じたように、強い垂直方向の磁場Ｈにおいて非常な低温で生成することができる。
【００５２】
それぞれのプレーナ構造１２Ａ’、１２Ｂ’、１２Ａ’’、１２Ｂ’’、１２Ａ’’’、および１２Ｂ’’’は、図１および２Ａ〜２Ｃのプレーナ構造１２、１２Ａ〜１２Ｃとの関係で上述したように、結晶基板（図示せず）の平坦な表面の上方にまたは直接上にある結晶半導体層の層積層体を含む。それぞれの層積層体は、また、２Ｄ量子井戸をその中に含む。
【００５３】
それぞれのプレーナ構造１２Ａ’、１２Ｂ’、１２Ａ’’、１２Ｂ’’、１２Ａ’’’、および１２Ｂ’’’は、第１の組の、横方向に閉じ込めるための上部電極４４Ａ〜４４Ｄを含み、また、第２の組のチャネル開閉用の上部電極４２Ａ〜４２Ｆを含む。第１および第２の組の上部電極４４Ａ〜４４Ｄ、４２Ａ〜４２Ｆは、層積層体の横方向部分の上方に配置されている。第１の組の、横方向に閉じ込めるための上部電極４４Ａ、４４Ｂの対は、層積層体の２つの横方向中央領域Ｃ１、Ｃ２の対向する側部に隣接して配置されている。第２の組のチャネル開閉用の上部電極４２Ａ〜４２Ｄは、第１のチャネル４８または第２のチャネル５０に隣接して配置されている。チャネル４８、５０は、中央領域Ｃ１、Ｃ２を、層積層体の横方向の左右の横方向領域Ｌ、Ｒに接続する。１対のチャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆは、２つの中央領域Ｃ１、Ｃ２を接続する別のチャネル４９と隣接して配置されている。中央、左側、および右側の横方向領域Ｃ１、Ｃ２、Ｌ、Ｒと上述したチャネル４８〜５０の様々なチャネルとが、積層体の横方向領域であり、これらは、上部電極４４Ａ〜４４Ｄ、４２Ａ〜４２Ｆの内の１つと基板（すなわち、図１の基板２６）との間には配置されていない。特に、上部電極４４Ａ〜４４Ｄ、４２Ａ〜４２Ｆのエッジは、中央、左側、および右側の横方向領域Ｃ１、Ｃ２、Ｌ、Ｒの境界を画定する。
【００５４】
積層体の半導体層は結晶性であり、その界面に沿って、すなわち、積層体の向きに垂直な方向に沿って、有効
【数２８】
2015503235.tif 000030
格子方向を有する。上部電極４２Ａ〜４２Ｆおよび４４Ａ〜４４Ｄの特別な形態および相対的な位置により、第１および第２のチャネル４８、５０は、左側領域Ｌと右側領域Ｒとを第１および第２のチャネル４８、５０を経由して接続する任意の直線が、例えば１０度以上もしくは３０度以上だけ上述した有効
【数２９】
2015503235.tif 000031
格子方向と不整列であるか、または、上部電極４２Ａ〜４２Ｆ、４４Ａ〜４４Ｄの内の１つと基板との間を通過する、すなわち上部電極４２Ａ〜４２Ｆ、４４Ａ〜４４Ｄの当該１つの一部の下を通過するかの、いずれか一方であるような相対的配置がなされている。
【００５５】
上部電極４２Ａ〜４２Ｆ、４４Ａ〜４４Ｄの相対位置および形態に対する上述した制約は、プレーナ構造１２Ａ’、１２Ｂ’、１２Ａ’’、１２Ｂ’’、１２Ａ’’’および１２Ｂ’’’を用いて２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴４６を横方向に閉じ込め、操作するときには、有益でありうる。特に、本発明者は、上述した制約を満足するように上部電極４２Ａ〜４２Ｆ、４４Ａ〜４４Ｄを構築することにより、非常な低温と高い強度を有する磁場Ｈにおいて、例えばランダウ準位の充足率が１よりも大きい場合に、ストライプ状の状態が液滴４６において生じる確率を低下させることが可能になると考える。上述した条件の下では、２ＤＣＣＧの横方向領域がストライプ状の状態にあるというのは望ましくない。その理由は、ストライプ状の状態は典型的にはＦＱＨＥ状態ではなく、したがって、典型的には量子コンピュータのための量子ビットを表すために用いることが適切ではないからである。
【００５６】
図３Ａ、４Ａ、および５Ａを参照すると、プレーナ構造１２Ａ’、１２Ａ’’、１２Ａ’’’は、横方向左側領域Ｌと横方向右側領域Ｒとをチャネル４８、４９、５０を経由して接続する直線がほぼ「ｘ」方向に沿った向きを有するように、構築されている。なお、「ｘ」方向は、有効
【数３０】
2015503235.tif 000032
格子方向に対して実質的に不整列である。例えば、半導体層の有効
【数３１】
2015503235.tif 000033
格子方向は、積層体の上部表面にほぼ沿っており、「ｘ」方向に対しては１０度以上または３０度以上も不整列でありうる。実際、この不整列は、上述した有効
【数３２】
2015503235.tif 000034
格子方向が「ｘ」方向と直交する「ｙ」方向に沿った向きを有しているということでありうる。
【００５７】
図３Ｂ、４Ｂ、および５Ｂを参照すると、プレーナ構造１２Ｂ’、１２Ｂ’’、１２Ｂ’’’は、横方向左側領域Ｌと横方向右側領域Ｒとを中央領域Ｃ１およびＣ２を経由して接続するそれぞれの直線が、第２の組のチャネル開閉のための上部電極４２Ａ〜４２Ｆのうちの１つの下を通過するセグメントを有するか、または、上述した有効
【数３３】
2015503235.tif 000035
格子方向と実質的に不整列であるか、のいずれか一方となるように、構築されている。図解されている例では、チャネル開閉のための上部電極４２Ａ〜４２Ｆは、チャネル４８、５０を接続する直線のいくつかが半導体層の層積層体の上部表面に沿った向きを有する有効
【数３４】
2015503235.tif 000036
格子方向に対して不整列であるように、非対称に形成されている。
【００５８】
それぞれのプレーナ構造１２Ａ’〜１２Ｂ’、１２Ａ’’〜１２Ｂ’’、１２Ａ’’’〜１２Ｂ’’’は、また、その中に閉じ込められているＦＱＨＥ液滴４６の２つの相対的に横方向の部分を別々に制御することができる。ＦＱＨＥ液滴４６の第１の横方向部分は、第１の横方向中央領域Ｃ１と境界を接する上部電極４２Ａ、４２Ｂ、４４Ａ、４４Ｂ、４２Ｅ、４２Ｆによって閉じ込められており、ＦＱＨＥ液滴４６の第２の横方向部分は、第２の横方向中央領域Ｃ２と境界を接する上部電極４２Ｃ、４２Ｄ、４４Ｃ、４４Ｄ、４２Ｅ、４２Ｆによって閉じ込められている。第１の対の、横方向に閉じ込めるための上部電極４４Ａ、４４Ｂは、別々に電圧バイアスが印加され、第１の横方向中央領域Ｃ１におけるＦＱＨＥ液滴４６の部分の横方向の上部および下部エッジの別々の制御を可能にしている。第２の対の、横方向に閉じ込めるための上部電極４４Ｃ、４４Ｄは、別々に電圧バイアスが印加され、第２の横方向中央領域Ｃ２におけるＦＱＨＥ液滴４６の部分の横方向の上部および下部エッジの別々の制御を可能にしている。左側の対の、チャネル開閉のための上部電極４２Ａ、４２Ｂもまた、別々に電圧バイアスが印加され、第１の横方向中央領域Ｃ１と横方向左側領域Ｌとの間のチャネル４８の非２ＤＣＣＧ空乏部分の幅の別々の制御を可能にしている。第２の対の、チャネル開閉のための上部電極４２Ｃ、４２Ｄもまた、別々に電圧バイアスが印加され、第２の横方向中央領域Ｃ２と横方向右側領域Ｒとの間のチャネル５０の非２ＤＣＣＧ空乏部分の幅の別々の制御を可能にしている。第３の対の、チャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆもまた、別々に電圧バイアスが印加され、第１の中央横方向領域Ｃ１と第２の中央横方向領域Ｃ２とを接続するチャネル４９の非２ＤＣＣＧ空乏部分の幅の別々の制御を可能にしている。
【００５９】
プレーナ構造１２Ａ’、１２Ｂ’、１２Ａ’’、１２Ｂ’’、１２Ａ’’’、１２Ｂ’’’もまた、それぞれの中央横方向領域Ｃ１、Ｃ２において、１つまたは複数の上部の局所化されたまたは点状の電極５１、５２を含む。それぞれの上部の点状電極５１、５２は、ＦＱＨＥ液滴４６が２Ｄ量子井戸の中に横方向に閉じ込められているときに、点状電極５１、５２において、例えば複合フェルミオン励起のような準粒子励起を選択的かつ局所的に保持するように、別々に電圧バイアスを印加することができる。例えば、５／２のランダウ準位充填率において、点状電極に対して、ｅ／２またはｅ／４の電荷を用いた準粒子励起に対応する電圧を用いてバイアスを印加することが可能であり、準粒子励起が点状電極の周囲に局所化される。
【００６０】
本明細書では、例えば電極５１または５２のような上部点状電極は、動作の間にその先端領域が非２ＤＣＣＧ空乏横方向領域によって包囲されている電極である。例えば、横方向領域は、中央領域Ｃ１およびＣ２の環状の部分であり、ＦＱＨＥ流体液滴４６の一部が横方向に閉じ込められている場合がありうる。このような点状電極は、その面積が例えば横方向中央領域Ｃ１およびＣ２のような上述した包囲している横方向領域の面積よりも実質的に小さな下向きの先端領域を有する。そのような点状電極の先端領域の面積は、例えば、周囲の横方向領域の面積と比較して、例えば、２倍以上小さい、または、５倍以上小さいことがありうる。
【００６１】
図４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂを参照すると、プレーナ構造１２Ａ’’、１２Ｂ’’、１２Ａ’’’、および１２Ｂ’’’はまた、１つまたは複数の上部ブリッジ電極５４、５６を含む。これらの電極５４、５６は、上部点状電極５１、５２の間であって、第３の組の、中央のチャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆの遠位端部に近接して配置されている。上部ブリッジ電極５４、５６は、点状電極５１、５２の間を伝播する準粒子またはエッジ励起のための第１の経路の完成を制御可能な態様で助けるように、また、第３の組の対になったチャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆの遠位端部に近接するＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジの間を伝播する準粒子またはエッジ励起のための第２の経路の完成を制御可能な態様で助けるように、位置決めされている。
【００６２】
１つまたは複数の上部ブリッジ電極５４、５６は、準粒子またはエッジ励起が上部点状電極５１、５２の間を伝播するかどうか、または、第３の対の、チャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆに近接するＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジの間を伝播するかどうか、に関する選択的な制御を容易化することができる。上部の点状電極５１、５２の間で準粒子またはエッジ励起を選択的に移動させるために、チャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆを、ＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジが１つまたは複数の上部ブリッジ電極５４、５６から離れている電圧に維持することができる。そのような状態では、準粒子またはエッジ励起は、上部点状電極５１、５２の間にトンネルを生じうるが、典型的には、そのような励起は、中央の第３の対の、チャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆに近接するＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジの間にトンネルを生じる非常に低い確率を有するのがせいぜいである。中央の第３の対の、チャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆに近接するＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジの間で準粒子またはエッジ励起を選択的に移動させるために、第３の対の、チャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆを、ＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジが上部ブリッジ電極５４、５６うちの１つまたは複数に近接している電圧にバイアスすることが可能である。そのような状態では、準粒子またはエッジ励起は、第３の対の、チャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆに近接するＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジの間にトンネルを生じうるが、他方では、準粒子またはエッジ励起が上部点状電極５１、５２の間にトンネルを生じる確率は非常に低くなりうる。
【００６３】
上部ブリッジ電極５４、５６は、いくつかの理由により、準粒子またはエッジ励起が移動するための異なる複数の経路で選択を行う際に、有用でありうる。第１に、上部ブリッジ電極５４、５６は、上記点状電極５１、５２の間で移動される間に準粒子またはエッジ励起が１回の跳躍においてトンネルを生じる最大距離を短縮しうる。第２に、上部ブリッジ電極５４、５６の幾何学的形状により、上部点状電極５１、５２の間の準粒子またはエッジ励起の個別的なトンネリングのための距離が、中央の第３の対の、チャネル開閉のための上部電極４２Ｅ、４２Ｆに近接するＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジの間の準粒子またはエッジ励起のトンネリングのための距離と比較して、短縮されうる。第３に、上部ブリッジ電極５４、５６は、上部点状電極５１、５２の間で準粒子またはエッジ励起を移動させるときに有用なバイアス電圧の印加を可能にすることができる。例えば、そのような左から右への移動の間に、準粒子またはエッジ励起が中間の上部ブリッジ電極５４の位置にあるとき、左側の上部ブリッジ電極５６は、励起を右側の上部ブリッジ電極５６に向かって押す力を生じるように、電圧バイアスが印加されることがありうる。また、準粒子またはエッジ励起が右側の上部ブリッジ電極５６の位置にあるときには、中央の上部ブリッジ電極５４は、準粒子またはエッジ励起を右側の上部点状電極５２に向かって押す力を生じるように、電圧バイアスが印加されることがありうる。同様に、右から左への移動の間には、右側の上部ブリッジ電極５６は、準粒子またはエッジ励起を中央の上部ブリッジ電極５４から左側の上部ブリッジ電極５６に向かって押す力を生じるように、電圧バイアスが印加されることがありうる。また、準粒子またはエッジ励起が左側の上部ブリッジ電極５６の位置にあるときには、中央の上部ブリッジ電極５４は、準粒子またはエッジ励起を左側の上部点状電極５１に向かって押す力を生じるように、電圧バイアスが印加されることがありうる。このように、上部ブリッジ電極５４、５６は、共に、準粒子またはエッジ励起を移動させる経路の間で選択をする際に有用であり、および／または、そのような移動のために必要となる時間を短縮するのに有用でありうる。
【００６４】
図６Ａは、図１のプレーナ構造１２のためのある実施形態１２’を図解している。プレーナ構造１２は、結晶半導体基板２６と、結晶下部半導体バリア層２８と、結晶半導体井戸層３２と、結晶上部半導体バリア層３０と、上部誘電体層３４と、上部電極３６を含む層の底部から頂部への積層体を有している。結晶半導体バリア層２８、３０と井戸層３２とが２Ｄ量子井戸を形成している。
【００６５】
２Ｄ量子井戸構造は、例えば半導体バリア層２８、３０の深い位置にある１つまたは２つの薄いドーパント層（ＤＬ）において、半導体井戸層３２から離れた位置にドーパント原子を配置することにより、変調ドープがなされうる。そのような垂直方向の分離は、２ＤＣＣＧを、ドーパント原子のうちのイオン化されているものの荷電イオン・コアからクーロン遮蔽するのに役立つ。半導体井戸層３２のそれぞれの側の上にドーパント層（ＤＬ）を対称的に位置決めすることにより、そのようなイオン・コアとトラップされた２ＤＣＣＧとの間のより大きな分離が可能になり、それによって、２ＤＣＣＧの所望の密度を得るためのイオン・コアのよりよい遮蔽が可能になる。
【００６６】
上部誘電体層３４は、その下層の半導体層の積層体から上部電極３６を電気的に絶縁することができ、および／または、製造の間に上部半導体表面３５上におけるトラップおよびそれ以外の局所化された欠陥の生成を減少させることができる。例えば上述した様々な実施形態の電極４２Ａ〜４２Ｆ、４４Ａ〜４４Ｄなどの上部電極３６の平らな部分は、誘電体層３４の上部副層（サブレイヤ）の上に載っていることがあり、例えば上述した様々な実施形態の電極５１、５２、５４、５６など上部電極３６の点状の突起部は、誘電体層３４の上部および／または下部の副層（サブレイヤ）の中にエッチングされたホールの中に突出しうる。
【００６７】
図６Ｂは、図６Ａのプレーナ構造１２’の特定の実施形態１２’’における半導体合金の垂直方向のプロファイルを図解している。特定の実施形態１２’’は、エピタキシャル成長したＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓという２Ｄ量子井戸構造に基づいている。
【００６８】
特定の実施形態１２’’において、結晶性基板２６は、ＧａＡｓウェハ基板と、そのＧａＡｓウェハ基板の（００１）格子表面上にエピタキシャル成長した、すなわち、ＧａＡｓウェハ基板の［００１］格子方向に沿って成長したＧａＡｓおよび／またはＡｌＡｓ層のバッファ・スタックとを含む。ＧａＡｓウェハ基板の（００１）格子表面は、その上におけるバッファ・スタックのエピタキシャル成長の前に、標準的な技術によって研磨されおよび／または洗浄されうる。バッファ・スタックは、例えば約５０ｎｍ〜２００ｎｍのＧａＡｓの第１の薄い層と、例えばＧａＡｓおよびＡｌＡｓの単層および／または二重層の約６００の反復など、交互に重なるＧａＡｓ層とＡｌＡｓ層とのスタックとを含みうる。そのようなバッファ・スタックは、その上に２Ｄ量子井戸が製造されているＧａＡｓウェハ基板における表面欠陥の望ましくない効果を減少させることができ、および／または、基板２６へのキャリアの漏れを減少させることが可能である。
【００６９】
特定の実施形態１２’’においては、結晶性半導体層２８、３２、３０の層積層体が、結晶性基板２６の（００１）格子表面２７の上にエピタキシャル成長する。層積層体の異なる複数の層２８、３２、３０は、関係するエピタキシャル成長の間のガス混合物におけるアルミニウム（Ａｌ）およびガリウム（Ｇａ）の相対的なパーセンテージを変動させることによって生成される異なる半導体合金組成を有する。様々な合金は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓという形式の合金を有する。ここで、Ａｌの濃度は複数の層の間で変動し、伝導帯の低い方のエッジのエネルギを固定する。特に、伝導帯の低い方のエッジの高さは、そのような合金におけるＡｌの濃度において単調であると考えられる。その理由により、図６ＢのＡｌのパーセンテージは、２Ｄ量子井戸の様々な半導体層における電子のためのポテンシャルエネルギの地形図を定性的に図解している。
【００７０】
特定の実施形態１２’’では、低い方の半導体バリア層２８が、結晶性基板２６上にエピタキシャル成長した多層である。この多層については、底部から上部までの構造は次の通りである。すなわち、約０．３２３の合金パラメータｘと約１１０ｎｍの厚さとを有するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓの層ＨＢ１と、例えば１層または数層の単層の小さな部分であるＳｉＡｓの薄いｎ型ドーパント層（ＤＬ）と、約０．３２３の合金パラメータｘと約４２ｎｍの厚さとを有するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓの層ＨＢ２と、約０．２４３の合金パラメータｘ’と約４８ｎｍの厚さとを有するＡｌｘ’Ｇａ（１−ｘ’）Ａｓの層ＬＢとである。
【００７１】
下方のＳｉドープされた層ＤＬは、例えば、平方センチメートル当たり約１０１２個のドーパント原子を含みうる。
【００７２】
特定の実施形態１２’’においては、結晶性半導体井戸層３２は、約２４ｎｍの幅を有する実質的にドープされていないＧａＡｓ層である。結晶性半導体井戸層３２は、結晶性の下部半導体バリア層２８上にエピタキシャル成長する。
【００７３】
特定の実施形態１２’’においては、結晶性の上部半導体バリア層３０は、結晶性半導体井戸層３２上にエピタキシャルに成長した多層である。結晶性の上部半導体層３０は、結晶性の下部半導体層２８を実質的に反映した多層である。この多層については、底部から上部までの構造は次の通りである。すなわち、約０．２４３の合金パラメータｘ’と約４８ｎｍの厚さとを有するＡｌｘ’Ｇａ（１−ｘ’）Ａｓの層ＬＢと、約０．３２３の合金パラメータｘと約４２ｎｍの厚さとを有するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓの層ＨＢ２と、例えば１層または数層の単層の小さな部分であるＳｉＡｓの薄いｎ型ドーパント層（ＤＬ）と、約０．３２３の合金パラメータｘと約１１０ｎｍの幅とを有するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓの層ＨＢ１とである。上部のｎ型のドープされた層ＤＬは、半導体井戸層３２から垂直方向に分離されていることにより、ドーパント原子のイオン・コアが、２Ｄ量子井戸に垂直方向に閉じ込められている２ＤＣＣＧに摂動を加える度合いが小さくなる。
【００７４】
例示的な実施形態では、上部のＳｉドープされた層ＤＬは、１平方センチメートル当たり１０１２でありうる。しかし、上部のＳｉドープされた層ＤＬでは、ドーパント原子の密度は、下部のＳｉドープされた層ＤＬにおけるドーパント原子の密度の値よりも、約３倍から約４倍でありうる。これは、上部のＳｉドープされた層ＤＬは、そこにある原子と組み合わすことにより、２Ｄ半導体井戸構造１２’’の露出された上部表面におけるダングリング・ボンドを中和する電荷キャリアに貢献するからである。
【００７５】
結晶性半導体井戸層３２は、例えば、上述した上部表面３５におけるトラップされた２ＤＣＣＧと局所化された欠陥との間の望ましくない相互作用を減少させるために、半導体層の層積層体の上部表面３５の下方の、少なくとも約２００ｎｍの位置に配置されうる。
【００７６】
特定の実施形態１２’’では、上部誘電体層３４は、アモルファス誘電体層でありうる。上部誘電体層３４のある実施形態は、厚さが４０ｎｍ以下であるシリコン窒化物層である。
【００７７】
特定の実施形態１２’’では、動作する上部電極３６は、例えば、従来型の堆積プロセスおよびリソグラフィ・パターニング・プロセスを経由して形成される、パターニングのなされた金属層でありうる。例えば、動作する上部電極３６は、レジスト・パターニングのなされた基板の上に約６０ｎｍの厚さまでアルミニウムを蒸着し、その後、レジストと過剰なアルミニウムとの剥離（lift off）が続くことによって形成することができる。
【００７８】
図６Ａ〜６Ｂの半導体層積層体の別の実施形態では、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓの合金におけるアルミニウムのパーセンテージが、ＤＬ層の近傍にあるまたはその周囲にある層において異なる値を有しうる。そのような異なるアルミニウムのパーセンテージにより、イオン化されたドーパントの原子の電位が、より長い影響（longer tails）を有することがありうる。影響がより長いということは、通常、そのようなイオン化されたドーパント原子と関連するランダムに分布している電荷を非局所化するのに役立つと考えられており、おそらく２ＤＣＣＧとの相互作用を空間的に平滑化することになる。
【００７９】
図１のプレーナ構造１２に適している半導体層の他の垂直方向の層積層体および／またはそのような層積層体を製造するおよび用いる方法は、米国特許第７，９６０，７１４号および／または米国特許出願公開第２０１０／０３０８３０２号に記載がある。例えば、そのような層構造は、井戸層３２とドーパント層ＤＬとの間に配置された幅の狭い遮蔽用の量子井戸でありうる。この段落において引用した米国特許と米国特許出願公開とは、参照によって、その全体を本出願に組み入れる。
【００８０】
図７は、２Ｄ量子井戸構造を備えているデバイスを動作させるための方法７０を概略的に図解している。なお、この２Ｄ量子井戸構造は、図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂにおけるように、中央横方向領域と、共通部分を有さない外部横方向領域と、中央横方向領域を外部横方向領域に接続するチャネルとを有する。中央横方向領域と、外部横方向領域と、チャネルとは、動作の間、２Ｄ量子井戸構造の連続的な非２ＤＣＣＧ空乏部分を形成し、これらの領域およびチャネルは、上部電極の組と横方向に境界を接することにより画定され、その上部電極は、動作の間に２ＤＣＣＧの２Ｄ量子井戸構造の残りの横方向領域を空乏化することができる。２Ｄ量子井戸構造は、基板の平坦な上部表面の上方にまたは直接にその上に配置される半導体層積層体に、形成される。上部電極の組は、例えば、図２Ａ、２Ｂ、３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂのプレーナ構造１２Ａ〜１２Ｃ、１２Ａ’、１２Ｂ’、１２Ａ’’、１２Ｂ’’、１２Ａ’’’、および１２Ｂ’’’におけるように、動作の間に中央横方向領域において２ＤＣＣＧのストライプ状の状態を形成する確率を低下させるように構築される。特に、上部電極は、チャネルを経由して２Ｄ量子井戸構造の外部横方向領域を接続する直線が、上部電極の内の１つと基板との間を通過する、すなわち、動作の間に２ＤＣＣＧ空乏領域を横断するか、または、２Ｄ量子井戸構造の有効
【数３５】
2015503235.tif 000037
格子方向と実質的に不整列であるかの、いずれか一方であるように、構築される。後者の場合には、２Ｄ量子井戸構造は、例えば、その半導体層の［００１］格子方向と実質的に垂直に延長しうる。
【００８１】
方法７０は、例えば、約５／２、１２／５、または７／２のランダウ準位充填率における図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５ＢのＦＱＨＥ液滴４６など、ＦＱＨＥ液滴の位相状態を初期化および操作するためのステップを含む。例えば、方法７０は、量子ビットがＦＱＨＥ液滴を用いて表される量子コンピュータにおける量子ビットの状態を記憶するおよび／または変更するために、実行されうる。
【００８２】
方法７０は、例えば約５／２、１２／５、または７／２のランダウ準位充填率νにおけるＦＱＨＥ液滴４６など、半導体層積層体の２Ｄ量子井戸における２ＤＣＣＧの横方向に閉じ込められたＦＱＨＥ液滴を準備するステップを含む（ステップ７２）。ＦＱＨＥ液滴は、中央横方向領域、外部横方向領域、および半導体層積層体においてこれらの横方向領域を接続するチャネルに、横方向に閉じ込められる。準備するステップ７２は、チャネルを経由して外部横方向領域を接続するそれぞれの直線が、２ＤＣＣＧ空乏領域を横断するか、または、半導体層積層体の有効
【数３６】
2015503235.tif 000038
格子方向と不整列であるかの、いずれか一方であるように、実行される。後者の場合、有効
【数３７】
2015503235.tif 000039
格子方向は、層積層体の向きとはほぼ垂直でありうる。
【００８３】
準備するステップ７２は、例えば図１の構成１０を用いて、２ＤＣＣＧを冷却し、適切な強度を有し垂直方向に配向された磁場Ｈにさらすことを含む。
【００８４】
準備するステップ７２は、例えば図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂの上部電極４２Ａ〜４２Ｆ、４４Ａ〜４４Ｄなど、半導体層積層体の横方向の境界部分の上方に配置された上部電極に電圧バイアスを付与することにより、２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴を横方向に閉じ込めることを含む。横方向に閉じ込めることは、２ＤＣＣＧが横方向に閉じ込められる中央横方向領域に対して横方向の２Ｄ量子井戸構造の領域を空乏化することを含む。例えば、横方向に閉じ込めるという作用は、２ＤＣＣＧの図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂにおける中央領域Ｃ１およびＣ２と、チャネル４８、４９、５０とにおいて、ＦＱＨＥ液滴４６の一部の周囲に配置された領域を空乏化することを含む。上部電極は、例えば図６Ａの誘電体層３４のような誘電体層によって、２Ｄ量子井戸構造を備えた半導体層積層体から電気的に絶縁することができる。２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴を横方向に閉じ込めるステップは、また、閉じ込められたＦＱＨＥ液滴のエッジの一部を電荷空乏化し、磁場強度Ｈを適切に設定することによって、２ＤＣＣＧの閉じ込められた部分の密度ρと充填率νとを適切に設定することを含みうる。ＦＱＨＥ液滴においては、充填率νは、例えば、ρｈｃ（｜ｅＨ｜）によって与えられる。ただし、例えば、図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂの横方向中央空洞（cavity）において、ｈはプランク定数、ｅは電子の電荷、ｃは光の速さ、ρは２ＤＣＣＧの横方向に閉じ込められた部分における電荷キャリアの密度である。
【００８５】
方法７０は、ＦＱＨＥ液滴の第１の横方向に閉じ込められた部分、すなわち、中央横方向領域の第１の領域に配置された部分の上方の第１の電極に電圧バイアスを付与し、例えば図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂの第１の横方向中央領域における点状電極５１など、第１の電極においてｅ／２またはそれ以外の適切な荷電準粒子励起を局所的にトラップすることを含む（ステップ７４）。電圧バイアスを付与するステップ７４は、例えば、ＦＱＨＥ液滴によって表される量子ビットに対して、ＦＱＨＥデバイスを第１の状態に初期化することができる。
【００８６】
方法７０は、オプションとして、例えば図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂの第１の中央横方向領域Ｃ１における点状電極５１など、第１の電極において荷電準粒子励起を局所的にトラップするステップ７４によって生じたＦＱＨＥ状態の値を確認または決定することを含むことがある（ステップ７６）。このオプションである確認または決定するステップ７４は、閉じ込められたＦＱＨＥ液滴の上部および下部エッジの間で後方散乱するエッジ励起と関連する長手方向のコンダクタンスを測定することによって、実行することができる。特に、異なる後方散乱されたエッジ励起状態の間の干渉は、エッジ励起が、ｅ／２またはそれ以外の適切な荷電準粒子励起が局所化されているＦＱＨＥ液滴の横方向に閉じ込められた部分の周囲で伝播するのか伝播しないのかに左右される。いくつかのそのような測定については、例えば、Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．９４（２００５年）の１６６８０２−１頁〜１６６８０２−４頁として刊行された論文に説明されている。この論文は、その全体を、参照によって本出願に組み入れられる。
【００８７】
方法７０は、ｅ／４またはそれ以外の適切な荷電準粒子励起を、第１の電極から第２の電極へ移動させることを含み、第２の電極は、ＦＱＨＥ液滴の第２の横方向に離れている部分の上方、すなわち、第２の中央横方向領域に配置されたＦＱＨＥ液滴の部分の上方に配置されている（ステップ７８）。例えば、第２の電極は、図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂの第２の横方向中央領域Ｃ２における上部点状電極５２でありうる。移動させるステップ７８は、第１および／または第２の電極の電圧バイアス印加を変更することを含みうる。移動させるステップ７８では、ｅ／４またはそれ以外の適切な荷電準粒子励起を、第１の電極に残す。移動されたｅ／４またはそれ以外の適切な荷電準粒子は、例えば、図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂの上部点状電極５１、５２の他方の先端部の下に保持されうる。
【００８８】
移動させるステップ７８は、例えば、ｅ／４またはそれ以外の適切な荷電励起を移動させるときの助けとなる図４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂの上部ブリッジ電極５４、５６の１つまたは複数など、１つまたは複数の上部ブリッジ電極におけるバイアス電圧を変更することを含みうる。例えば、ｅ／４またはそれ以外の適切な荷電準粒子は、その移動の一部の間に、そのようなブリッジ電極５４、５６によって、一時的に保持またはプッシュされうる。
【００８９】
方法７０は、次に、第１および第２の電極の間のチャネルの２ＤＣＣＧ空乏を制御するチャネルを開閉するための上部電極の１つまたは複数の電圧バイアス付与を変更することにより、ｅ／４またはそれ以外の適切な荷電準粒子またはエッジ励起がＦＱＨＥ液滴の上部および下部エッジの間で後方散乱するようにするステップを含む（ステップ８０）。例えば、ステップ８０は、チャネル４９におけるＦＱＨＥ液滴４６の幅を制御する図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂのチャネルを開閉するための上部電極４４Ｅ、４４Ｆの電圧バイアス印加を調整することを含みうる。これらのチャネル開閉のための上部電極４４Ｅ、４４Ｆの電圧バイアス印加を変更することにより、図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５ＢにおけるＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジＡ〜ＣおよびＢ〜Ｄの間でのエッジ励起の後方散乱が影響されうる。
【００９０】
ステップ８０において、ｅ／４またはそれ以外の適切な荷電準粒子もしくはエッジ励起を後方散乱することは、第１および第２の電極の一方に保持されている局所化されたｅ／４またはそれ以外の適切な荷電準粒子励起の一方の周囲を伝播することを含む。しかし、ステップ８０は、第１および第２の電極の他方において保持されている局所化されたｅ／４またはそれ以外の適切な荷電準粒子励起の周囲の準粒子またはエッジ励起の伝播を含まない。例えば、後方散乱は、図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂのチャネル開閉のための上部電極４２Ｅおよび４２Ｆに近接するＦＱＨＥ液滴４６の上部および下部エッジの部分の間で生じうる。
【００９１】
ステップ８０において、ＦＱＨＥ液滴の２つのエッジの間でｅ／４またはそれ以外の適切な荷電準粒子を移動させることは、例えば図４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および５Ｂの上部ブリッジ電極５４、５６など１つまたは複数のブリッジ電極を動作させることが一助になりうる。そのような移動は、また、例えば、ＦＱＨＥデバイスによって記憶されている量子ビットの状態を変化させることがありうる。
【００９２】
図面のハードウェア構成１０のいくつかの実施形態は、２Ｄ量子井戸構造のアレイを有する量子コンピュータを形成することができる。そのような量子コンピュータでは、アレイのそれぞれの要素が、量子コンピュータの個別的な量子ビットとして、動作される。個別的な量子ビット要素は、従来型の量子コンピュータの粒子ビットとして、動作されうる。そのような量子コンピュータでは、それぞれの量子ビット要素は、図３Ａ、３Ｂ、４Ａ、４Ｂ、５Ａ、および／または５Ｂのプレーナ構造１２Ａ’、１２Ｂ’、１２Ａ’’、１２Ｂ’’、１２Ａ’’’、１２Ｂ’’’に図解されている半導体層積層体の横方向部分と上部電極の組とを含みうる。そのような量子コンピュータでは、個別的な量子ビット要素は、例えば図７の方法７０に記載されているように、その上部ゲートを動作させるための制御可能で電圧バイアスを印加するソースを含むことがある。特に、そのような上部電極は、方法７０に関して説明されているように、初期化動作と、確認と、ＦＱＨＥ液滴の一部の状態変更とを実行するように個別的に動作可能でありうる。
【００９３】
本発明は、明細書、図面、および特許請求の範囲に照らして当業者にとって自明であり得る他の実施形態を含むことが意図されている。
【図１】
2015503235.tif 000045
【図２Ａ】
2015503235.tif 000046
【図２Ｂ】
2015503235.tif 000047
【図２Ｃ】
2015503235.tif 000048
【図３Ａ】
2015503235.tif 000049
【図３Ｂ】
2015503235.tif 000050
【図４Ａ】
2015503235.tif 000051
【図４Ｂ】
2015503235.tif 000052
【図５Ａ】
2015503235.tif 000053
【図５Ｂ】
2015503235.tif 000054
【図６Ａ】
2015503235.tif 000055
【図６Ｂ】
2015503235.tif 000056
【図７】
2015503235.tif 000057
【手続補正書】
【提出日】平成26年11月11日(2014.11.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な上部表面を有する基板と、
前記平坦な上部表面上に配置されており２次元量子井戸を有する結晶半導体層の積層体と、
前記積層体の上方に配置されている第１の組の電極であって、前記積層体の横方向領域の対向する側部と境界を接しており、前記量子井戸の非空乏部分の幅を前記上部表面に沿って変動させるように制御可能である第１の組の電極と、
前記積層体の上方に配置されている第２の組の電極であって、前記横方向領域と前記積層体の隣接する第１および第２の横方向エリアとの間の第１および第２のチャネルと境界を接しており、前記量子井戸の非空乏部分の幅を変動させるように制御可能である第２の組の電極と、を備え、
前記電極が、前記第１の横方向エリアと前記第２の横方向エリアとを前記チャネルを経由して接続するそれぞれの直線が、前記電極のうちの１つと前記基板との間を通過するか、または前記積層体の有効
【数１】
2015503235.tif 000058
格子方向と不整列であるかのいずれかであるように配置されている、装置。
【請求項２】
前記それぞれの直線が前記電極のうちの１つと前記基板との間を通過するように前記電極が配置されている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記積層体が１組のＩＩＩ−Ｖ族半導体合金を含む、請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記積層体が前記半導体層の実際の［００１］格子方向に沿って配向されており、前記有効
【数２】
2015503235.tif 000059
格子方向が前記層の実際の
【数３】
2015503235.tif 000060
格子方向である、請求項３記載の装置。
【請求項５】
別の組の前記電極が前記積層体の上方であって前記積層体の第２の横方向領域の対向する側部に隣接して配置されており、前記２つの横方向エリアが共通部分を有しておらず、前記電極のいくつかが、前記２つの横方向領域の間の前記量子井戸におけるチャネルの非空乏セグメントの前記上部表面に沿った幅を変動させるように制御可能である、請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記２つの横方向領域のそれぞれの上方に配置された少なくとも１つの点状の電極を更に備える、請求項５記載の装置。
【請求項７】
２ＤＣＣＧのＦＱＨＥ液滴を、半導体層積層体の中央および外部横方向領域と、前記半導体層積層体のチャネルとに閉じ込めるステップであって、前記チャネルは前記中央横方向領域を前記外部横方向領域に接続しており、前記チャネルを経由して前記外部横方向領域を接続するそれぞれの直線は、２ＤＣＣＧ空乏領域を横断するか、または前記半導体層積層体の有効
【数４】
2015503235.tif 000061
格子方向と不整列であるかのいずれかである、ステップと、
前記中央領域の１つにおいて前記ＦＱＨＥ液滴の一部の上方に配置された第１の電極に電圧バイアスを印加することにより、荷電準粒子励起を局所的にトラップするステップと、
を含む方法。
【請求項８】
前記第１の電極から、前記ＦＱＨＥ液滴の横方向に離れた第２の部分の上方に配置された第２の電極に、別の荷電準粒子励起を移動させるステップを更に含み、前記横方向に離れた第２の部分は、前記中央横方向領域のうちの別の１つに配置されている、請求項７記載の方法。
【請求項９】
次に、準粒子またはエッジ励起が前記ＦＱＨＥ液滴の２つのエッジの間で後方散乱するように、前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたチャネルを制御する上部電極の電圧バイアス印加を変化させるステップを更に含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
局所的にトラップする前記ステップによって生成されるＦＱＨＥ状態の値を決定するステップを更に含む、請求項７記載の方法。
【国際調査報告】
2015503235.tif 000062
2015503235.tif 000063