ИСТИНА

С начала двухтысячных годов наблюдается усиливающееся с каждым годом соревнование между различными технологическими платформами по созданию квантовых битов (кубитов) и прототипов квантовых вычислителей. Ключевым моментом в этой гонке является поиск физических систем и материалов наиболее перспективных для высокоплотной интеграции квантовых элементов и необходимого быстродействия. Полупроводниковые материалы и устройства на их основе находятся в авангарде таких разработок, поскольку они полностью совместимы с современными технологиями производства сверхбольших интегральных схем. Первоначальная концепция полупроводниковых кубитов Кейна [1] за два десятилетия развилась в несколько научных направлений [2], различающихся технологическими реализациями (электростатически индуцированные квантовые точки (КТ), КТ в двумерном газе, примесные атомы в твердотельной матрице, центры окраски) и по принципу действия (зарядовые состояния, электронные и ядерные спины, многоэлектронные синглет-триплетные состояния, возбужденные состояния). Рабочая температура таких устройств колеблется от десятков милликельвинов до комнатной температуры. В кремниевых кубитах используются индуцированные с помощью электростатических затворов КТ в канале нанопровода, изготовленного из широко используемого в промышленности материала - кремния на изоляторе (КНИ). Цель этой работы - теоретическое моделирование прототипов полупроводниковых спиновых кубитов на наведенных КТ в кремнии для определения необходимого состава и размеров составляющих их структурных элементов и возможных пространственных конфигураций, а также диапазонов рабочих управляющих электрических потенциалов. Теоретическое моделирование полупроводниковых спиновых кубитов на основе наведенных квантовых точек проводится в несколько этапов. Первым шагом является структурное и геометрического моделирование спинового полупроводникового устройства. В результате первого шага определяются состав, параметры материалов, расположение и форма электродов. На следующем этапе с помощью разностной схемы [4] для уравнения Пуассона осуществляется расчет распределения электрического потенциала внутри канала нанопровода и прилегающих слоях. Используя распределение электрического потенциала и данные о зонной структуре соответствующих материалов, вычисляется распределение потенциальной энергии в заданной модельной структуре. Распределение потенциальной энергии для электронных дырок с заданной эффективной массой далее используется в решении стационарного уравнения Шредингера для определения одночастичных уровней энергии и волновых функции. Рассчитанные одночастичные волновые функции далее используются для решения уравнений Хартри-Фока-Рутана, которые позволяют определить многочастичные волновые функции, кулоновские и обменные интегралы. Последним шагом является использование неравновесной диаграммной техники Келдыша [3] для расчета дырочного транспорта и квантовой эволюции системы спиновых кубитов в кремнии через расчет временных зависимостей компонент матрицы плотности. На рис. 1 показана структурная модель и расчет распределения электрического потенциала для системы с 4 КТ. Разработанный процесс численного моделирования полупроводниковых спиновых кубитов позволил нам выбрать оптимальную топологию системы спиновых кубитов для дальнейшей экспериментальной реализации.