探测器级锗作为铟受体自旋量子比特的低无序宿主:一项五量子比特从材料到架构的设计研究

锗(Ge)中受主束缚空穴自旋为半导体量子信息处理提供了一条有前景但尚未充分探索的路径。该研究展示了一项基于理论指导的设计研究,该平台采用有意掺入超高纯锗中的铟(In)受主,构建探测器级锗受主自旋平台。所提出的材料策略将残余杂质背景水平控制在接近\(10^{10} \mathrm{cm^{-3}}\),目标铟密度约为\(2\times10^{14} \mathrm{cm^{-3}}\),对应的受主间距约为170纳米。一条长度为1微米、具有合适横向模体积的有源通道平均可容纳约五个受主,从而能够实现统计性筛选的后制备寄存器,而非确定性排列的链状结构。该工作分析了物理基础、器件架构、应变与无序极限、耦合层级、建模流程、制备路径以及扩展前景。研究结果表明,探测器级锗可将不受控制的本体静电与应变无序抑制在与受主空穴量子比特兼容的水平,而具有自旋-轨道活性的价带能级结构支持全电学控制以及偶极或声子介导的耦合。直接交换作用被视为近邻对或栅极增强型相互作用,而非通用的平均间距耦合。该工作将声子晶体工程确定为第二阶段增强手段,用于在基线控制、读取和最近邻耦合验证后,抑制不需要的声学模式并实现选定的腔介导相互作用。剩余挑战包括受主位置的统计性分布、界面无序、电荷噪声、读取集成以及实验验证。该工作将探测器级锗铟受主量子比特确定为介于施主基杂质量子比特与全栅极限定锗空穴自旋硬件之间的可信中间架构。
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提交arXiv: 2026-06-20 14:37

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