原子論的量子ドット
量子デバイスが、半導体の表面から延伸する制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドを含んで提供される。各制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドは、半導体の少なくとも一つの原子の間隔を有する。少なくとも一つの電極が、制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの電子状態を選択的に変更するために提供される。制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンド内に少なくとも一個の追加の電子を、その一個の追加の電子のそれぞれに対して少なくとも一本の非占有ダングリングボンドが存在するという条件で提供することによって、本発明のデバイスは、少なくとも２９３ケルビンまで動作可能となり、漂遊静電摂動に対して大幅に影響され難くなる。室温動作可能な量子セルオートマトン及び量子ビットがそこから形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２００８年６月１７日出願の米国仮特許出願第６１／０７３１２６号の優先権を主張し、その開示内容は参照として本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般的に原子論的エレクトロニクスに係り、特に単一原子量子ドットで形成された量子セルオートマトンや量子ビットに関する。
【背景技術】
【０００３】
ナノエレクトロニクスの発展に関する性質の理解が大幅に進んでいる一方で、原子、分子又はナノスケールエンティティの演算回路への集積が困難なままである（非特許文献１〜１２）。量子ドットは典型的に、バルク物質のものと孤立単一原子又は分子のものとの中間のエネルギーによって分離されている量子化準位を示す原子又は分子の小クラスタで構成されている。量子ドットは、大きな回路内に空間特異性を有して所定の位置に形成され、特定してアドレスされていることが多いので、現在のところ、量子ドットは、電子回路が如何にして分子エレクトロニクスからの恩恵を享受できるのかについての最適な実例となる（非特許文献１３〜非特許文献１７）。
【０００４】
場を回避する一つの目標は、１９９３年にＬｅｎｔ及び共同研究者によって提案された量子セルオートマトン（ＱＣＡ，Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ａｕｔｏｍａｔａ）スキーム（非特許文献１８）を具体化するための多重量子ドットアンサンブルの生成である。この新しい計算用のパラダイムは、トンネル結合量子ドットの“セル”と、隣接するセル間の静電相互作用とに基づいている。このようなアンサンブルは、非常に低いエネルギーコストでバイナリ情報を伝え計算を行うことができると予測されている（非特許文献１８、非特許文献１９）。プロトタイプのＱＣＡセルは、正方形に配置された４つの量子ドットから成る。局所的な電極の制御によって、２個の電子の、二つの縮退した正反対の基底状態の電子配置の正味のセル電荷が提供される。局所的な静電電極が対称性を破壊して、ＱＣＡユニットが、対角の２つの電子状態の一方又は他方を占めるようにさせる。これらの状態を論理レベル“０”及び“１”としてマッピングすることができる。セル配列を生成することによって、セル間静電結合が、バイナリ情報を一つの点から他の点に伝えることが可能になる。ＱＣＡスキームの精緻化によって、バイナリデジタル計算のしきたりを保ちながら、計算用のロジックの完全実施が可能になる。ＱＣＡにおけるバイナリ計算スキームの保持によって、既存のソフトウェアをエネルギー効率的なＱＣＡデバイスで走らせることができるという利点が得られる。
【０００５】
最も単純な実施では、４量子ドット静電ＱＣＡは、休止電流を必要としない。ＱＣＡスキームは、“エッジ駆動”であり、つまり、論理入力は電源でもある（非特許文献２０）。数十ナノメートルのオーダの寸法を有する量子ドットで形成されたＱＣＡセル（非特許文献１９、非特許文献２１）や、結合３セル量子ワイヤ（非特許文献１２）が達成されている。また、ＱＣＡ状プロセスは、直列三重量子ドットシステムにおいても見られる（非特許文献２３）。ＱＣＡデバイスを形成しようとするこれらの努力は、状態の乱雑化を防止するためにミリケルビン範囲の温度が必要とされるという事実によって、決められた計算スキームにおける実施に限定されている（非特許文献２０）。量子ドットの局所的な、意図せずに固定された、若しくは時々変化する電荷、又は量子ドットのスプリアス欠陥電荷は、２電子フィリングを達成するための局所的な静電調整を必要且つ困難なものにしている（非特許文献２０）。また、極低温条件も、注入ドーパントに基づいた方法には必要とされる（非特許文献２４）。
【０００６】
量子ビットは、二つの論理レベル“０”と“１”との間で制御可能に変更される量子化情報システムであり、二次元複素ベクトル空間としてモデル化される。デジタル論理素子とは異なり、量子ビットは、摂動の発現である量子エンタングルメントと、近接する素子間のトンネル結合を示すように構築されることが好ましい。量子ビットのエンタングルメント項によって、“０”と“１”のレベルとの間の中間の値の重ね合わせの無限の組が得られ、多くの多変数力学現象の計算を扱い易くすることができる。ＱＣＡデバイスに関して、電子状態変更量子ビットは、大気温度で動作するようにはできていない。
【０００７】
原子論的量子ドットは、単一原子又は分子に基づいていて、軌道エネルギー準位の単純化された組を有していて、次元性の低減、ナノ粒子量子ドットに対して相対的に意図せずに固定された又は散発的な帯電に影響され難いという点に利点がある。これらの及び他の予測される属性の結果として、分子ＱＣＡセルが、室温動作を目標として構想されている（非特許文献２５）。分子量子ドットの局在化及び制御されたアドレシングに関連する難しさが、分子ＱＣＡセルの生成の妨げとなっている。同様の問題が、静電状態遷移ベースの量子ビットにも存在している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａ．Ａｖｉｒａｍ、Ｍ．Ａ．Ｒａｔｎｅｒ、“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ”、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、１９７４年、第２９巻、ｐ．２７７−２８３
【非特許文献２】Ｍ．Ａ．Ｒｅｅｄ、Ｃ．Ｚｈｏｕ、Ｃ．Ｊ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｔ．Ｐ．Ｂｕｒｇｉｎ、Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ、“Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｏｆ ａ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９９７年、第２７８巻、ｐ．２５２−２５４
【非特許文献３】Ｘ．Ｄ．Ｃｕｉ、Ａ．Ｐｒｉｍａｋ、Ｘ．Ｚａｒａｔｅ、Ｊ．Ｔｏｍｆｏｈｒ、Ｏ．Ｆ．Ｓａｎｋｅｙ、Ａ．Ｌ．Ｍｏｏｒｅ、Ｔ．Ａ．Ｍｏｏｒｅ、Ｄ．Ｇｕｓｔ、Ｇ．Ｈａｒｒｉｓ、Ｓ．Ｍ．Ｌｉｎｄｓａｙ、“Ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００１年、第２９４巻、ｐ．５７１−５７４
【非特許文献４】Ｙ．Ｓｅｌｚｅｒ、Ｌ．Ｃａｉ、Ｍ．Ａ．Ｃａｂａｓｓｉ、Ｙ．Ｙａｏ、Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ、Ｔ．Ｓ．Ｍａｙｅｒ、Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａｒａ、“Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｎ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ： Ｉｓｏｌａｔｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｖｅｒｓｕｓ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ”、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、２００５年、第５巻、ｐ．６１−６５
【非特許文献５】Ｄ．Ｊ．Ｗｏｌｄ、Ｒ．Ｈａａｇ、Ｍ．Ａ．Ｒａｍｐｉ、Ｃ．Ｄ．Ｆｒｉｓｂｅｅ、“Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ： Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｖｅｒｓｕｓ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ、２００２年、第１０６巻、ｐ．２８１３−２８１６
【非特許文献６】Ｗ．Ｗａｎｇ、Ｔ．Ｌｅｅ、Ｉ．Ｋｒｅｔｚｓｃｈｍａｒ、Ｍ．Ａ．Ｒｅｅｄ、“Ｉｎｅｌａｓｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ａｎ ａｌｋａｎｅｄｉｔｈｉｏｌ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ”、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、２００４年、第４巻、ｐ．６４３−６４６
【非特許文献７】Ｃ．−Ｃ．Ｋａｕｎ、Ｈ．Ｇｕｏ、Ｐ．Ｇｒｕｅｔｔｅｒ、Ｒ．Ｂ．Ｌｅｎｎｏｘ、“Ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｗｉｒｅｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００４年、第７０巻、ｐ．１９５３０９
【非特許文献８】Ｇ．Ｖ．Ｎａｚｉｎ、Ｘ．Ｈ．Ｑｉｕ、Ｗ．Ｈｏ、“Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ａ ｍｅｔａｌ−ｍｏｌｅｃｕｌｅ−ｍｅｔａｌ ｂｒｉｄｇｅ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００３年、第３０２巻、ｐ．７７−８１
【非特許文献９】Ｚ．Ｙａｎｇ、Ｍ．Ｃｈｓｈｉｅｖ、Ｍ．Ｚｗｏｌａｋ、Ｍ．Ｄｉ Ｖｅｎｔｒａ、“Ｒｏｌｅ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｔｏｍｉｃ ｗｉｒｅｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００５年、第７１巻、ｐ．０４１４０２（Ｒ）
【非特許文献１０】Ｐ．Ｄａｍｌｅ、Ｔ．Ｒａｋｓｈｉｔ、Ｍ．Ｐａｕｌｓｓｏｎ、Ｓ．Ｄａｔｔａ、“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｖｏｌｔａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ： ｔｗｏ ｖｅｒｓｕｓ ｔｈｒｅｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｎａｎｏｔｅｃｈ．、２００２年、第１巻、ｐ．１４５−１５３
【非特許文献１１】Ｅ．Ｇ．Ｅｍｂｅｒｌｙ、Ｇ．Ｋｉｒｃｚｅｎｏｗ、“Ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｓｔ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｗｉｔｃｈ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、２００３年、第９１巻、ｐ．１８８３０１
【非特許文献１２】Ｕ．Ｌａｎｄｍａｎ、Ｗ．Ｄ．Ｌｕｅｄｔｋｅ、“Ｓｍａｌｌ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ： ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ， ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ， ｔｈｅｒｍａｌ， ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ ｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒ ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ”、Ｆａｒａｄａｙ Ｄｉｓｃｕｓｓ．、２００４年、第１２５巻、ｐ．１−２２
【非特許文献１３】Ｓ．Ｄｅ Ｆｒａｎｃｅｓｃｈｉ、Ｓ．Ｓａｓａｋｉ、Ｊ．Ｍ．Ｅｌｚｅｒｍａｎ、Ｗ．Ｇ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗｉｅｌ、Ｓ．Ｔａｒｕｃｈａ、Ｌ．Ｐ．Ｋｏｕｗｅｎｈｏｖｅｎ、“Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ ａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、２００１年、第８６巻、ｐ．８７８−８８１
【非特許文献１４】Ａ．Ｗ．Ｈｏｌｌｅｉｔｎｅｒ、Ｒ．Ｈ．Ｂｌｉｃｋ、Ａ．Ｋ．Ｈｕｅｔｔｅｌ、Ｋ．Ｅｂｅｒｌ、Ｊ．Ｐ．Ｋｏｔｔｈａｕｓ、“Ｐｒｏｂｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ Ｂｏｎｄｓ ｏｆ ａｎ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍｏｌｅｃｕｌｅ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００２年、第２９７巻、ｐ．７０−７２
【非特許文献１５】Ｊ．Ｍ．Ｅｌｚｅｒｍａｎ、Ｒ．Ｈａｎｓｏｎ、Ｊ．Ｓ．Ｇｒｅｉｄａｎｕｓ、Ｌ．Ｈ．Ｗｉｌｌｅｍｓ ｖａｎ Ｂｅｖｅｒｅｎ、Ｓ．Ｄｅ Ｆｒａｎｃｅｓｃｈｉ、Ｌ．Ｍ．Ｋ．Ｖａｎｄｅｒｓｙｐｅｎ、Ｓ．Ｔａｒｕｃｈａ、Ｌ．Ｐ．Ｋｏｕｗｅｎｈｏｖｅｎ、“Ｆｅｗ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｈａｒｇｅ ｒｅａｄ ｏｕｔ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．、２００３年、第６７巻、ｐ．１６１３０８
【非特許文献１６】Ｍ．Ｐｉｏｒｏ−Ｌａｄｒｉｅｒｅ、Ｍ．Ｒ．Ａｂｏｌｆａｔｈ、Ｐ．Ｚａｗａｄｚｋｉ、，Ｊ．Ｌａｐｏｉｎｔｅ、Ｓ．Ａ．Ｓｔｕｄｅｎｉｋｉｎ、Ａ．Ｓ．Ｓａｃｈｒａｊｄａ、Ｐ．Ｈａｗｒｙｌａｋ、“Ｃｈａｒｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ ａｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｈ２＋ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｉｎ ｌａｔｅｒａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００５年、第７２巻、ｐ．１２５３０７
【非特許文献１７】Ｌ．Ｇａｕｄｒｅａｕ、Ｓ．Ａ．Ｓｔｕｄｅｎｉｋｉｎ、Ａ．Ｓ．Ｓａｃｈｒａｊｄａ、Ｐ．Ｚａｗａｄｚｋｉ、Ａ．Ｋａｍ、Ｊ．Ｌａｐｏｉｎｔｅ、Ｍ．Ｋｏｒｋｕｓｉｎｓｋｉ、Ｐ．Ｈａｗｒｙｌａｋ、“Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａ Ｆｅｗ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒｉｐｌｅ Ｄｏｔ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、２００６年、第９７巻、ｐ．０３６８０７
【非特許文献１８】Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｐ．Ｄ．Ｔｏｕｇａｗ、Ｗ．Ｐｏｒｏｄ、Ｇ．Ｈ．Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ、“Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９３年、第４巻、ｐ．４９−５７
【非特許文献１９】Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ： ｂｙｐａｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｐａｒａｄｉｇｍ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０００年、第２８８巻、ｐ．１５９７−１５９９
【非特許文献２０】Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｐ．Ｄ．Ｔｏｕｇａｗ、“Ａ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ、１９９７年、第８５巻、ｐ．５４１−５５７
【非特許文献２１】Ａ．Ｏ．Ｏｒｌｏｖ、Ｉ．Ａｍｌａｎｉ、Ｇ．Ｈ．Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ、Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｇ．Ｌ．Ｓｎｉｄｅｒ、“Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｅｌｌ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９９７年、第２７７巻、ｐ．９２８−９３０
【非特許文献２２】Ｋ．Ｋ．Ｙａｄａｖａｌｌｉ、Ａ．Ｏ．Ｏｒｌｏｖ、Ｊ．Ｐ．Ｔｉｍｌｅｒ、Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｇ．Ｌ．Ｓｎｉｄｅｒ、“Ｆａｎｏｕｔ ｇａｔｅ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２００７年、第１８巻、ｐ．３７５４０１
【非特許文献２３】Ｄ．Ｓｃｈｒｏｅｅｒ、Ａ．Ｄ．Ｇｒｅｅｎｔｒｅｅ、Ｌ．Ｇａｕｄｒｅａｕ、Ｋ．Ｅｂｅｒｌ、Ｌ．Ｃ．Ｌ．Ｈｏｌｌｅｎｂｅｒｇ、Ｊ．Ｐ．Ｋｏｔｔｈａｕｓ、Ｓ．Ｌｕｄｗｉｇ、“Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｄｅｆｉｎｅｄ ｓｅｒｉａｌ ｔｒｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｃｈａｒｇｅｄ ｗｉｔｈ ｆｅｗ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００７年、第７６巻、ｐ．０７５３０６
【非特許文献２４】Ｊ．Ｈ．Ｃｏｌｅ、Ａ．Ｄ．Ｇｒｅｅｎｔｒｅｅ、Ｃ．Ｊ．Ｗｅｌｌａｒｄ、Ｌ．Ｃ．Ｌ．Ｈｏｌｌｅｎｂｅｒｇ、Ｓ．Ｐｒａｗｅｒ、“Ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ ｕｓｉｎｇ ｂｕｒｉｅｄ ｄｏｐａｎｔｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００５年、第７１巻、ｐ．１１５３０２
【非特許文献２５】Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｂ．Ｉｓａｋｓｅｎ、Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ、“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、２００３年、第１２５巻、ｐ．１０５６−１０６３
【非特許文献２６】Ｐ．Ｇ．Ｐｉｖａ、Ｇ．Ａ．ＤｉＬａｂｉｏ、Ｊ．Ｌ．Ｐｉｔｔｅｒｓ、Ｊ．Ｚｉｋｏｖｓｋｙ、Ｍ．Ｒｅｚｅｋ、Ｓ．Ｄｏｇｅｌ、Ｗ．Ａ．Ｈｏｆｅｒ、Ｒ．Ａ．Ｗｏｌｋｏｗ、“Ｆｉｅｌｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｂｙ ａ ｃｈａｒｇｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｔｏｍ”、Ｎａｔｕｒｅ、２００５年、第４３５巻、ｐ．６５８−６６１
【非特許文献２７】Ｐｈ．Ｅｂｅｒｔ、“Ｎａｎｏ−ｓｃａｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｕｒｆａｃｅｓ”、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｐｏｒｔｓ、１９９９年、第３３巻、ｐ．１２１−３０３
【非特許文献２８】Ｊ．Ｗ．Ｌｙｄｉｎｇ、Ｔ．−Ｃ．Ｓｈｅｎ、Ｊ．Ｓ．Ｈｕｂａｃｅｋ、Ｊ．Ｒ．Ｔｕｃｋｅｒ、Ｇ．Ｃ．Ａｂｅｌｎ、“Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈ−ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ Ｓｉ（１００）−２×１ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｖａｃｕｕｍ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、１９９４年、第６４巻、ｐ．２０１０−２０１２
【非特許文献２９】Ｐｈ．Ｅｂｅｒｔ、“Ａｔｏｍｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｕｒｆａｃｅｓ”、Ｃｕｒｒ．Ｏｐｉｎ．Ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ“、２００１年、第５巻、ｐ．２１１−２５０
【非特許文献３０】Ｊ．Ｊ．Ｂｏｌａｎｄ、“Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｖｅ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｓｉ（１００）−２×１ ｓｕｒｆａｃｅ”、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ、１９９２年、第１０巻、ｐ．２４５８−２４６４
【非特許文献３１】Ｔ．Ｈｉｔｏｓｕｇｉ、Ｓ．Ｈｅｉｋｅ、Ｔ．Ｏｎｏｇｉ、Ｔ．Ｈａｓｈｉｚｕｍｅ、Ｓ．Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｚ．−Ｑ．Ｌｉ、Ｋ．Ｏｈｎｏ、Ｙ．Ｋａｗａｚｏｅ、Ｔ．Ｈａｓｅｇａｗａ、Ｋ．Ｋｉｔａｚａｗａ、“Ｊａｈｎ−Ｔｅｌｌｅｒ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｉｎ ｄａｎｇｌｉｎｇ−ｂｏｎｄ ｌｉｎｅａｒ ｃｈａｉｎｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ａ ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ Ｓｉ（１００）−２×１ ｓｕｒｆａｃｅ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、１９９９年、第８２巻、ｐ．４０３４−４０３７
【非特許文献３２】Ａ．Ｄ．Ｂｅｃｋｅ、“Ｄｅｎｓｉｔｙ−ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ．ＩＩＩ．Ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｅｘａｃｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ”、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．、１９９３年、第９８巻、ｐ．５６４８−５６５２
【非特許文献３３】Ｃ．Ｌｅｅ、Ｗ．Ｙａｎｇ、Ｒ．Ｇ．Ｐａｒｒ、“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｌｌｅ−Ｓａｌｖｅｔｔｉ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｎｔｏ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、１９８８年、第３７巻、ｐ．７８５−７８９
【非特許文献３４】Ｍ．Ｊ．Ｆｒｉｓｃｈ外、Ｇａｕｓｓｉａｎ ０３ Ｒｅｖｉｓｉｏｎ Ｃ．０２（Ｇａｕｓｓｉａｎ，Ｉｎｃ．、コネチカット州ウォリンフォード、２００４年）
【非特許文献３５】Ｇ．Ｂｕｒｋａｒｄ、Ｄ．Ｌｏｓｓ、Ｄ．Ｐ．Ｄｉ Ｖｉｎｃｅｎｚｏ、“Ｃｏｕｐｌｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ａｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｇａｔｅｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、１９９９年、第５９巻、ｐ．２０７０−２０７８
【非特許文献３６】Ｊ．Ｈ．Ｗｅｉｎｅｒ、“Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｖｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ”、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．、１９７８年、第６９巻、ｐ．４７４３−４７４９
【非特許文献３７】Ｌ．Ｒｅｓｃａ、Ｒ．Ｄ．Ｇｒａｆｔ、“Ｉｎｔｅｒｖａｌｌｅｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ−ｍａｓｓ ｔｈｅｏｒｙ： ｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、１９８５年、第３２巻、ｐ．１０６８−１０７６
【非特許文献３８】Ａ．Ｏ．Ｏｒｌｏｖ外、“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｉｎａｒｙ ｗｉｒｅ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、１９９９年、第７４巻、第１９号、ｐ．２８７５−２８７７
【非特許文献３９】Ｈ．Ｑｉ外、“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ ｃｅｌｌｓ． ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｒｉｖｅｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｂｏｕｎｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｔｗｏ−ｄｏｔ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、２００３年、第１２５巻、ｐ．１５２５０−１５２５９
【非特許文献４０】Ｄ．Ａ．Ａｎｔｏｎｅｌｌｉ、“Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｄｏｔ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ａｕｔｏｍａｔａ（ＱＣＡ） ｃｉｒｃｕｉｔ ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ： ｐｒｏｂｌｅｍ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４１ｓｔ ａｎｎｕａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、２００４年６月７日〜１１日、米国カリフォルニア州サンディエゴ
【非特許文献４１】Ｊ．Ｒ．Ｔｕｃｋｅｒ、Ｔ．−Ｃ．Ｓｈｅｎ、“Ｃａｎ ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｂｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ？”、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｃｉｒｃ．Ｔｈｅｏｒ．Ａｐｐｌ．、２０００年、第２８巻、ｐ．５５３−５６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、ミリケルビン以上の温度での動作可能性を備えた電子的にアドレス可能な分子又は原子量子ドットが必要とされている。更には、分子又は原子量子ドットの秩序的な配置を含むＱＣＡ及び量子ビットデバイスが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
量子デバイスが、物質の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドを含んで提供される。各制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドは、物質の少なくとも一つの原子の他の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドからの間隔を有する。制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの電子状態を選択的に変更するための少なくとも一つの電極が提供される。三つの他のシリコン原子のみに結合したシリコンの表面原子が、ダングリングボンドの形成には特に適していて、所望の間隔で形成される。３から４０オングストロームの間隔が、ダングリングボンド間の量子力学的結合相互作用には特に適している。制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンド内に少なくとも一個の追加の電子を、その一個の追加の電子のそれぞれに対して少なくとも一本の非占有ダングリングボンドが存在するという条件で提供することによって、本発明のデバイスは、少なくとも２９３ケルビンまで動作可能となり、漂遊静電摂動に対して大幅に影響され難くなる。
【００１１】
２９３ケルビン以上の温度で動作可能な量子セルオートマトンが、複数のこのようなデバイスを相互接続を介して連結するように提供することによって、形成される。２９３ケルビン以上の温度で動作可能な量子ビットは、物質の表面から延伸する制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンド及び少なくとも二つの電極を有し、０及び１のデジタル論理レベル間の中間の値の重ね合わせの無限の組を提供する量子コンピューテーション用の量子回路が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】水素終端Ｓｉ（１００）上のダングリングボンド（ＤＢ，ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄ）の画像の比較をバルクドーピング密度（図１ａ及びｂ）及び離隔距離（図１ｃ及びｄ）の関数として示す走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ，ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の顕微鏡写真である。上部の挿入図は表面構造を示し、シリコンダイマーが黒色で示され、表面下シリコン原子が灰色で、水素原子が空白で示されている。図１ａは、３５×３５ｎｍのエリアに対する低ドープｎ型シリコン（〜１０１６ｃｍ−３）の、２Ｖ、０．１ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。ダングリングボンドが、明るいスポット（二つが矢印で指されている）として見える。図１ｂは、３５×３５ｎｍのエリアに対する高ドープｎ型シリコン（〜１０１９ｃｍ−３）の、２．２Ｖ、０．１ｎＡで撮られた顕微鏡写真である。ダングリングボンドが、中心スポットを備えた暗いくぼみとして見える。図１ｃは、９×９ｎｍの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。シリコン表面は水素放出の前には一様に見える。図１ｄは、９×９ｎｍの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。ダングリングボンドの三つのグループが設けられている。（Ｉ）２．３２ｎｍの非結合ＤＢ対。（ＩＩ）１．５６ｎｍの結合ＤＢ対。（ＩＩＩ）１．１５ｎｍの結合ＤＢ対。下部の挿入図は、離隔距離に基づいたＤＢ対の帯電確率を示す。実曲線及びハッチングされた曲線はそれぞれ、一電子占有、二電子占有を表す。位置Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩは、図１ｄの関連するＤＢ対に対応する。
【図２】水素終端Ｓｉ（１００）上のダングリングボンドの結合及び非結合を示すＳＴＭ顕微鏡写真である。図２ａは、１０×１０ｎｍのエリアの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。二本の負ダングリングボンドがＤＢ１及びＤＢ２で示されている。図２ｂは、１０×１０ｎｍのエリアの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。新たなＤＢが、ＤＢ２の近くでのＳＴＭ誘起のＨ放出によって生成されている。ＤＢ２及びＤＢ３が結合している。図２ｃは、９×９ｎｍのエリアの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。ＤＢ４は孤立していて負である。ＤＢ５及びＤＢ６が結合している。図２ｄは、９×９ｎｍのエリアの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。水素原子（Ｈ）がＤＢ６を覆っている。ＤＢ５が孤立して負になっている。
【図３】可変間隔ポテンシャルウェルとしての対になったＤＢのプロットである。図３ａは、孤立ＤＢを示し、それぞれ負に帯電している（中性のＤＢは一個の電子の占有を有し、負のＤＢは基底状態エネルギーＥ０において二個の電子によって占有されている）。図３ｂは、クーロン反発相互作用Ｖｅｌの結果と、一個の電子が結合ＤＢの対から排除されて、一個の電子の正味の電荷がもたらされる様子とを示す。各ＤＢが一個の余分の電子を有する占有状態（シェーディングされている）は、距離が減少すると次第に好ましくないものになる。反発性のハバード・オンサイトペアリングエネルギーＵ及び量子力学的分裂エネルギーｔも示されていて、ｄは最近接のダイマー間距離である。図３ｃは、二本の量子力学的に結合したＤＢに対する、第三のより遠くて負に帯電したＤＢ近傍における摂動された二重ウェルポテンシャルを示す。ＤＢの表面被覆率は低いとされるので、バンド曲がりは、帯電ＤＢの間近から離れた表面においては無視できる。ＣＢＭ及びＶＢＭはそれぞれ、伝導バンド最小値、価電子バンド最大値である。
【図４】非対称なＤＢ配置における結合を示すＳＴＭ顕微鏡写真である。図４ａは３本の結合ＤＢを示す。ＤＢの格子位置は画像の下に示されている。明らかな不等性が３本のＤＢ間には存在している。ＤＢ２が最も明るい一方で、ＤＢ１及びＤＢ３は暗く見える。図４ｂは、第四の結合ＤＢが単一のＨ原子の除去によって生成された後の同じエリアを示す。ＤＢ２が明るくないものになっている一方で、ＤＢ１及びＤＢ３が今度は最も明るい。シリコン表面上のＤＢの一を表すグリッドが顕微鏡写真の下に示されている。ダッシュはシリコンダイマーを表し、円は結合シリコンＤＢを表す。円のサイズは、その上のＳＴＭ像に見られるようなＤＢの強度を示す。明るいＤＢと明るくないＤＢとの間の平均の高さの差は、図４ａ、図４ｂに対してそれぞれ〜０．４Å、〜０．７Åである。
【図５】対称なＤＢ配置における結合のＳＴＭ像である。４本のＤＢの対称なグループが、四個の単一のＨ原子をＳｉ（１００）から除去することによって生成されている。ＤＢの明るい見た目は、個々のＤＢが結合していることを示す。ＤＢの高さは０．１Å以内で等しい。シリコン表面上のＤＢの位置を表すグリッドが図の下に示されている。ダッシュはシリコンダイマーを表し、赤い円は結合シリコンＤＢを表す。単一のＱＣＡセルの概略図が顕微鏡写真の隣に示されている。バイナリ状態“０”及び“１”のセルが示されている。
【図６】結合ＤＢに対する静電摂動の実例を与えるＳＴＭ像である。図６ａは二本の結合ＤＢを示す。ＤＢ対の高さプロファイルが、図６ｃの下方のプロファイル曲線に示されている。僅かな非対称性のみが断面図で明らかになっている。図６ｂは第三のＤＢの追加後の図６ａと同じエリアである。ＤＢ３は、負に帯電していて、ＤＢ１及びＤＢ２と結合していない。ＤＢ対の高さプロファイルが図６ｃの上方の曲線に示されている。ここでは、ＤＢ２は、負に帯電したＤＢ３に対する近接性の結果としてはるかに明るく見える。挿入図は、シリコン表面上のＤＢの位置を表すグリッドを示す。ダッシュはシリコンダイマーを表し、円は結合シリコンＤＢを表し、左上の円は、非結合の負に帯電したシリコンＤＢを表す。ＤＢ１及びＤＢ２の円のサイズは、ＳＴＭ像に見られるようなＤＢの強度を示す。図６ｃは、摂動ＤＢ（ＤＢ３）を追加した前（下方）と後（上方）とのＤＢ対に対する相対的な高さプロファイルのグラフの比較である。明確にするため、ラインプロファイルはずらされている。
【図７】対角に配置された追加の二本の静電摂動ＤＢを備えた直線状の四本の結合ＤＢエンティティを示すＳＴＭ像である。図７ａは、負の摂動ＤＢに最近接の２本の結合ＤＢが、それらのサイトにおける好ましくない電子占有の結果として比較的見た目が明るい様子を示すＳＴＭ像である。シリコン表面上のＤＢの位置を表すグリッドが図の下方に示されている。ダッシュはシリコンダイマーを表し、円は結合シリコンＤＢを表し、Ｘは非結合の負に帯電したシリコンＤＢを表す。円のサイズは、上方のＳＴＭ像に見られるようなＤＢの強度を示す。明るいＤＢと明るくないＤＢとの間の平均の高さの差は〜０．４Åである。図７ｂは、図７ａのＳＴＭ像のカラーマッピングを示すＳＴＭ像であり、トポグラフィーの違いが明確に描かれている。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明には、量子セルオートマトンや量子ビット等の原子論的電子デバイスの形成における有用性がある。原子論的量子ドットは、制御可能に量力学的に結合されて、量子セルオートマトンデバイス又はコンピュータ量子ビットのブロックを具体化する。好ましい実施形態では、ダングリングボンド（ＤＢ，ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄ）が、原子論的量子ビットとして動作する。このようなセルは、自己バイアス効果を示し、電子占有が、セルの幾何学的形状及びフェルミ準位によって設定される。セルのバイナリ状態は静電的に制御される。以前のようなミリケルビンでの実施とは異なり、本発明のデバイスは、ミリケルビン以上、更には室温（２９３ケルビン）で動作して、漂遊静電摂動に対してほとんど影響を受けない。本発明のダングリングボンド量子デバイスは、近接する静電摂動ダングリングボンド又は電極（本発明のデバイスを支持する表面の上又は下に懸架されているか、またはその表面上に存在する）によって制御される。例えば、電極は、薄膜コンタクトや、ナノワイヤ、ＳＴＭ探針を含む。オプションとして、電極を使用又はバイアスして、結合ダングリングボンドの局在ダイナミクスを感知することができる。
【００１４】
ユニタリ変換を行うための量子ビットハミルトニアンに対する制御は、ＤＢや電極等の摂動種の形成／除去を介して本発明に従って行われ、結合二ＤＢ量子ビット内でユニタリ変換を生成する。同様に、キュートリット（ｑｕｔｒｉｔ）及びクアッドリット（ｑｕａｄｒｉｔ）が、それぞれ３又は４本のＤＢの結合を介して本発明により容易に形成される。５、６、７、８本更にはそれ以上の結合ＤＢを含む高次ＤＢエンティティも、本発明による室温量子コンピューテーショナルデバイスとして可能であると考えられる。
【００１５】
本発明のデバイスの特徴は、超低消費電力、１Ｋから室温以上での動作、超高デバイス密度、追加の電子電荷が提供された際の“自己バイアス”特性の実例である。室温における電子状態遷移ＱＣＡ又は量子ビットデバイスとしての動作も提供される。
【００１６】
単一電極構造及び多重電極構造は、半導体量子ドットＱＣＡ及び分子ＱＣＡシステムに関して当該分野において知られている（非特許文献３８、非特許文献３９）。これらの電極構造及び配置は本願においても機能する。ＳＴＭ探針は、例示的な単一電極デバイスとして使用される。二電極システムは、例えば、ＤＢに摂動を与える電源としての第一の論理入力と、結合ＤＢ電子状態をモニタリングする第二の電極とを有する。
【００１７】
本発明のデバイスは、物質のダングリングボンド（ＤＢ）の空間的に制御された形成によって形成される。本発明によると、シリコンは、ダングリングボンドの生成用の好適な表面を代表する。しかしながら、少なくとも１オングストロームにわたって延在する静電ポテンシャルを誘起する局在電荷をサポートすることができる他の表面も本願において機能することは理解されたい。他のこのような物質には、例えば、帯電原子及び／又は量子ドットをサポートすることができる多くの半導体、化合物半導体（ゲルマニウム、ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ）、遷移金属カルコゲナイド、薄いインシュレータ・オン・コンダクタ、薄いインシュレータ・オン・セミコンダクタの表面が含まれる。
【００１８】
シリコン等の半導体の表面上の単一原子は、−１から＋１の電子電荷の範囲内で制御可能に帯電される。本願において、ホスト格子のものと異なる元素の原子の電荷に対しても同様の制御が得られ、表面上にダングリングボンドを形成する少なくとも一のイオン化不純物原子又は分子を含むことは理解されたい。
【００１９】
電荷制御される原子は、ＤＢを形成する相手のいない軌道の元素に対する通常のものよりも少ない結合の相手を有しなければならない。例えば、シリコン原子は、通常四本の結合を共有するが、三本の結合のみが関与するように制限されているのであれば帯電が制御可能である。この状況は、各表面原子が三配位結合を有しているシリコン結晶の表面では自然に達成される。単一の帯電可能原子は、一つを除いて全ての表面シリコン原子に水素原子を結合させて、その表面シリコン原子が三本のシリコン‐シリコン結合及び一本のＳｉ‐Ｈ結合を共有し、空間的に制御された近接性で複数のこのようなＤＢを形成することによって、生成される。本発明によると、単一のＤＢは、シリコン表面上に空間制御されて容易に形成される。空間制御によって、ＤＢ及びその感知リードの制御された構築に対して、ダングリングボンド電子配置に基づいた実際的な量子コンピューティングアーキテクチャを開発することができる。これは、リン原子の配置に対する位置制御に欠けるリン原子によるシリコン格子のドーピングという従来技術とは対照的である。
【００２０】
こうした原子は、ＤＢに附随して、バンドギャップ内に存在している空間的に局在した電子エネルギー状態を有する。ＤＢは、バルク半導体の価電子バンドエッジよりもエネルギーが高い一方で、伝導バンドエッジの底よりもエネルギーが低い。ＤＢは伝導バンドからエネルギー的に非結合とされているので、ＤＢは、本発明のＱＣＡ及び量子ビットデバイスをミリケルビン以上で最大２９３ケルビンを超えて動作可能にする原子論的クオリティを有する。本発明の特質は、従来技術のＱＣＡデバイスがミリケルビンでの動作を必要としたのとは著しく対照的である。ＤＢの特定の電荷レベルは、複数のパラメータの関数であり、それらのパラメータは主に、ギャップ状態密度、バルク結晶のドーピング濃度、物理的配置、印加される相対的な静電ポテンシャルである。
【００２１】
電子の量子力学的相互作用を介したＤＢを有する二つ以上の原子の結合に依存した距離で、１ケルビン以上、更には２９３ケルビン以上の温度で動作するＱＣＡ及び量子ビットデバイスが形成される。ＤＢが通常の負電荷の条件下で利用される場合、クーロン反発力が、ＤＢによる自己バイアス、及びＤＢを含むデバイスを提供し、具体的には不完全な電子占有が生じることによって、原子間の量子力学的相互作用、特にトンネリングが可能となる。量子力学的結合は、略４から２０オングストロームの距離において明確である。双安定性４シリコン原子ＱＣＡセルを一つの論理状態に静電設定することが室温において実現される。同様に、同じＤＢアンサンブルは、純粋な又はエンタングルした量子ビットとして動作可能である。
【００２２】
−１の電荷のＤＢ量子ビットは、そのロバストな室温性能によってＱＣＡの好ましい構成要素であると考えられる。近接するＤＢの中性対によって、制御可能な量子力学的結合が、励起の際に量子ビットとして機能する所定のＤＢ間の間隔を備えたＨ２に類似する人工分子エンティティを形成することが可能になる。更には、二本よりも多くの量子力学的に結合した中性ＤＢは、環状炭素のπ電子系の多様な電子配置を模倣することができる。
【００２３】
図１ｄは、ＤＢ間の距離の効果を示し、近い間隔のＤＢは、より離れて隣接するＤＢと比較して“明るい”見た目となる。また、或る閾値を超えると、更なる間隔の減少が更なる明るさの増強につながることも見て取れる。水素終端Ｓｉ表面から単一のＨ原子を制御して除去することによって、ＤＢが、隣接するＤＢ間の制御された距離で所望のパターンに形成される。ＤＢを欠いた少なくとも一つの原子が、隣接するＤＢを離隔して、クーロン結合の程度を、デバイス形成を容易にする程度に限定する。隣接するＤＢ間にＤＢを欠いた少なくとも一つの原子が存在することに基づいて、一つのシリコンダイマー（非特許文献２０）上の、又は一列に隣接するダイマー（非特許文献２１）上の二本のＤＢという極端な場合が、本発明のデバイスからは明確に除外される。異なる半導体表面を用いて、ＤＢの角度及び表面原子の間隔を変更することができることは理解されたい。（１００）表面に加えて、本願において動作可能な他の表面には、例えば、（１１０）、（１１１）、（０１０）、（３１１）、ミスカット表面、それらの表面の全ての再構成が含まれる。ＤＢは、エッジ表面上に、異種物質の界面、特に格子不整合を有するものに、バルクの秩序及びアモルファス物質内にも容易に形成されることは理解されたい。隣接するＤＢ間の横方向の間隔が２から２００オングストロームの間だと、ＱＣＡデバイス又は量子ビットのエンタングルメントに適した程度の量子力学的結合が提供される。厳密な距離は、物質に依存し、物質の静電ポテンシャルの関数である。図２ａ及び２ｂは、孤立した負ＤＢ（ラベルＤＢ２）が、十分に近い相手（ＤＢ３）が提供された際に結合配置を取る実例を示すＳＴＭ像である。図２ｂの新たなＤＢは、選択的な単一Ｈ原子の除去によって形成されている。一旦、対になると、図２ａ及び２ｂに共通のＤＢは、非結合ＤＢのＳＴＭ画像のハロー特性を最早有さない。ＤＢは両方とも結合ＤＢの明るい見た目を示し、結合対は、図２ｂのＳＴＭ像の暗いハローによって取り囲まれている。
【００２４】
図２ｃ及び２ｄは、一本のＤＢ（ラベルＤ６）にＨ原子を結合させることによって、ＤＢの対の一方を消去することを介して結合の消去の効果の実例を示すＳＴＭ像である。ＤＢ状態は、一旦Ｈ被覆エンティティに変換されると、余分の電子を保持する性能を失い、残りのＤＢが、効果的に孤立して負に帯電する（ＤＢ５）。
【００２５】
二本の十分に近いＤＢは量子力学的に結合している。空間を介する（ｔｈｒｏｕｇｈ‐ｓｐａｃｅ）共有結合は、略４オングストロームのＤＢ間隔を超えると無視できるので、格子が、ＤＢ波動関数の量子力学的結合を仲介する。
【００２６】
また、３．４から２０オングストロームの間で離隔されたＤＢを有する系における電子の閉じ込め及び電子の量子力学的相互作用に基づいた本発明のデバイスは、コンピュータによるモデル化によっても理解することができる。
【００２７】
密度汎関数理論（ＤＦＴ，ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｏｒｙ）モデル化を、３‐２１Ｇ基底セットでＧａｕｓｓｉａｎ‐０３（非特許文献３４）パッケージで行われるようなＢ３ＬＹＰ（非特許文献３２、非特許文献３３）汎関数を用いて、本発明の系に対して行う。計算に用いたモデルは、２×１表面再構成の３９６個のシリコン原子のピラミッド状クラスタで構成され、三列の七つのダイマーを有する。クラスタは二つのリンドーパント原子を含んでいた。二つのリン原子は、表面のダングリングボンド（ＤＢ）の二本を帯電させるのに必要な二つの過剰電子を提供する。一本のＤＢが、固定された位置の第二のＤＢに向けてダイマーの列の一側に沿って段になっている。第三のＤＢ（クラスタの２×１面の一つのコーナー近くに位置する）は、間隔の近いＤＢ対のクーロン反発力が大きくなるとその間隔の近いＤＢ対から排除される電子に対する電子アクセプタサイトとして機能する。
【００２８】
小クラスタに対するＢ３ＬＹＰ計算を用いて、帯電ＤＢの一電子状態の描像を提供する。ＤＢ状態に対する物理的範囲は、Ｈ‐Ｓｉ（１００）‐２×１表面の列構造によって明確に区切られている。ＤＢ結合を調べるため、調和振動子ポテンシャルを用いる（非特許文献３５）。また、ＤＢは、Ｓｉ中の原子不純物に対してもモデル化される（非特許文献３７）。しかしながら、大きな有効半径を有するバルク誘電体中のドナー原子とは異なり、ＤＢは局在化した表面状態である。そのように、ＤＢ電子は、Ｓｉ媒体中のより大きな空間的幅の表面よりも上の真空状態に部分的に局在している。
【００２９】
有効二次元調和振動子を用いて、自由電子の質量ｍｅに等しい電子の有効質量で、ＤＢ中の電子の閉じ込めを記述する。シリコン表面の幾何学的形状に基づき、孤立ＤＢの有効二次元ポテンシャルは、電子がＤＢ軌道から半導体のバルクの伝導バンド（ＣＢ，ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）に逃れるようにしなければならない。従って、調和ウェル領域の外側ｒ＜Ｒｈでは、ポテンシャル曲線は、バルクの伝導バンド最小値に対して横這いになる。この単純なモデルでは、孤立ＤＢの波動関数は、単純なガウス型関数の形状、及び、
【数１】
の基底状態エネルギーを有する。パラメータωは、ＤＢ波動関数の空間的広がりが略３．８オングストロームのＤＦＴモデル化から得られたものを反映するように設定される。ウェルの深さは、ＤＢ中の余分の電子の結合エネルギーの補正値を再現するようにフィッティングされる。隣接するＤＢ間のそれらの間隔によって与えられる電子の量子力学的相互作用は、十分に小さいものであり、クーロン反発力が二つのＤＢの完全な占有を防止する。量子力学的相互作用は、系の基底状態エネルギーのエネルギー分裂を生じさせる（非特許文献３６）。
【００３０】
図３は二次元調和振動子モデルを示し、二本の孤立ＤＢの振る舞いの定性的記述を提供する。図３のポテンシャルウェルは、ＣＢエネルギーにおいて漸近的に横這いになっている。図３ａは二つのポテンシャルウェルを示し、非結合となるように十分に横方向に離隔されている。各ウェルを横切る水平線は、それぞれ二個の電子を有することができる束縛ＤＢ準位を表す。図３ｂは、略２０オングストローム未満で横方向に離隔された２本のＤＢを表す。非結合ＤＢに対して二つの重要な変化が示されている。クーロン反発力の結果として、ＤＢ毎に２個の電子を備えた占有状態が不安定化されている（エネルギーが上方にシフトされている）。二つのＤＢ状態は、一個の電子がＤＢのうち一本から排除されるとより安定であることを示す。排除された電子がバルクのエネルギー準位内に入っている。結合ＤＢに関係する部分的に空の準位は、一個以上の電子を収容できるように見えるが、占有の作用で、その準位はＣＢの上に押し上げられて、その配置を不安定にする。これは、オンサイト（反発性）ペアリングエネルギー（“ハバードＵ”項としてモデル化される（非特許文献３８））、及び、二個の電子がそのように局在した際のクーロン反発力のより実質的な増大の結果である。また、電子のエネルギー準位に対する量子力学的相互作用の効果は、トンネル分裂エネルギーｔを介しても含まれている。
【００３１】
二つの条件が、結合ＤＢ間の電子の量子力学的相互作用を可能にする。十分に近い場合、ＤＢを離隔する障壁は二本のＤＢ間の実質的な量子力学的交換を許容するのに十分に狭い。しかし、重要なことに、対になったＤＢからの一つの電子の排除が、部分的に空の状態を提供して、トンネル電子の行き先が提供される。特定の理論に縛られるものではないが、結合ＤＢの比較的明るい見た目は、２個の余分の電子のうち一つの排除に基づくものであり、上向きのバンド曲がりを低減させて、ＳＴＭ探針からＣＢへの比較的容易な電子の放出及びより明るい見た目を可能にする。ここで、“余分”とは、中性に必要にされるのよりも多い電子の数を称する。例えば、２本のＤＢにおける４個の電子は、−２又は２の“余分”の電子の電荷に対応する。結合ＤＢにおける電荷が減じられて、中性ＤＢのもの（図１ａ）と同様の見た目が得られるが、余分の電子に起因する対の周り暗いハローが、結合ＤＢを中性ＤＢから区別している。
【００３２】
ＤＢの間隔の減少と共にＤＢ対の明るさが増大することは、帯電状態−２と−１との間のクロスオーバーの発現である。局所的なバンド曲がりが減少するので、注入されるＳＴＭ電流は増大する。結合ＤＢの平均の電子占有は、ＤＢの離隔距離によって制御することができる。一個の電子に対して略２３オングストローム離隔されたＤＢが、１０オングストロームよりも近くなり、これが、間隔の減少と共にＤＢ対の明るい見た目の増大を説明し、図１ｄに見て取れ、１個の電子（黒い実線）及び２個の電子（ハッチング線）に対する図１の挿入図にグラフで示されているとおりである。
【００３３】
孤立ＤＢに対して使用される閉じ込めポテンシャルは、電子が、ＤＢ軌道からバルクの伝導バンド内に逃れることを可能にして、調和ウェル領域の外側ｒ＜Ｒｈでは、ポテンシャル曲線は、バルクの伝導バンド最小値（ＣＢＭ，ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ ｍｉｎｉｍｕｍ）に対して横這いとなり、ｒ→∞では閉じ込めポテンシャルに対してゼロの値をとる。
【００３４】
従って、例示的なモデルとして、有限／打ち切られた閉じ込めポテンシャルは以下のように選択され、
【数２】
ここで、ωはウェル内の電子の古典的振動数であり、Ｖ０はポテンシャル深さ（ＣＢＭから測定）であり、ｆｔｒは打ち切り関数であり、調和ポテンシャルの有限範囲を保証する。以下の単純な形式が選択され、
【数３】
ここで、パラメータＲｂ及びｗはそれぞれ、打ち切り領域の位置及び幅を決定する。
【００３５】
この単純化されたモデルでは、孤立ＤＢの波動関数は、単純なガウス型関数
【数４】
の形状と、基底状態エネルギー
【数５】
（ポテンシャルの底に対して）とを有し、ここで、
【数６】
であり、Ａは規格化定数である。パラメータωは、単純なガウス型ＤＢ波動関数の空間的広がりが略３．８オングストロームの密度汎関数理論（ＤＦＴ）調和振動子モデル化から得られるものを反映するように設定される。そして、調和振動子（ＨＯ，ｈａｒｍｏｎｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）ウェル内の電子の結合エネルギーは
【数７】
であり、ここで、ＥＣＢは伝導バンドエネルギーであり、Ｅ０は基底状態エネルギーである。ウェル深さは、上述のＤＦＴ法によって計算されるようなＨＯの結合エネルギーを再現するようにフィッティングされる。
【００３６】
量子力学的に結合したＤＢ対を記述するための二重ウェルポテンシャルは、以下のように二本のＤＢの単一のウェルポテンシャルを組み合わせることによって単純に構築され、
【数８】
Ｖ１２（ｒ）の効果は、ＤＢが点ｒにより近いかどうかに依存して、ＶＤＢ１又はＶＤＢ２のいずれかに略等しくなる。
【００３７】
二重ウェルの系に対して、量子力学的トンネル係数は、ＷＫＢ近似（非特許文献３６）内において
【数９】
であり、ここで、±αは、ポテンシャル障壁の古典的転換点である。従って、トンネル分裂相互作用は次のように計算される。
【数１０】
【００３８】
デバイスは、Ｈ‐Ｓｉ（１００）表面上にｎ本のＤＢを備え、ここでｎは２と∞との間の整数である。電子数ｉでのこのデバイスの帯電確率を計算するため、ＤＢ系が温度Ｔ及び化学ポテンシャルＥＦ（つまりグランドカノニカルアンサンブル）でリザーバ（バルク結晶）に接触している効果を求める。ＤＢセル内の所定の数の余分の電子での帯電状態の出現確率を計算する。
【００３９】
ＤＢデバイスが整数の余分の電子及び明確な分極を有するようにするため、本発明のデバイスは、ＱＣＡデバイスで必要とされるように量子力学的トンネルエネルギーがクーロンエネルギーよりもはるかに小さいｔ＜＜Ｖｅｌ形式（非特許文献８）において動作する。統計変動に起因する室温での帯電エネルギーへの量子力学的トンネリングの寄与を無視するのｄえ、全ての帯電状態が有限の発現確率を有する。古典統計とすると、各帯電状態は、統計的重み（各帯電状態に対するボルツマン因子に等しい）によって特徴付けられる。従って、一個の電子の帯電に対して、重みは、
【数１１】
であり、ここで、
【数１２】
は、一個の余分の電子を備えたｎ‐ＤＢセルの全エネルギーであり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは温度であり、ｇｉｅは帯電状態ｉの縮退である。外部摂動が存在しないとすると、
【数１３】
であり、ここで、全てのエネルギーはＣＢ準位から測定されている。同様に、二個の電子の帯電の重みは、
【数１４】
であり、
【数１５】
となり、
【数１６】
はセルの全静電エネルギーである。後者の相互作用は、点電荷相互作用として単純に計算され、
【数１７】
ここで、ｅは電気素量であり、ｄはＤＢの間隔であり、
【数１８】
は表面の有効誘電率である。
【００４０】
同様に、帯電状態ｉの重みは、
【数１９】
である。
【００４１】
デバイスの全帯電エネルギーの計算においては、量子力学的トンネルエネルギーは無視されて、所定の帯電状態に対する最低の配置エネルギーのみを考慮する。例えば、二重に帯電した４‐ＤＢデバイスに対して対角の占有のみを考慮して、隣接するＤＢ上に電子を備えた配置を許容しない。
【００４２】
ｎ‐ＤＢセルの分配関数は
【数２０】
となり、各帯電状態ｉの確率は、ｉ＝１，ｎに対して
【数２１】
である。例えば、“明確に”二重占有の４‐ＤＢセルを有するためには、条件
【数２２】
を満たす必要がある。
【００４３】
図１の下方の挿入図には、孤立２‐ＤＢデバイスに対する帯電確率が、ＤＢの間隔の関数として示されている。二重占有ＤＢに対する結合エネルギーＥｂの値を０．３２ｅＶとしている。図１の下方の挿入図に示されるように、ＤＢの表面被覆率は小さくて、バンド曲がりは、ＤＢセルの近傍以外では、表面において無視できる。帯電状態０の確立ｐ０ｅは、ｐ１ｅよりも四桁小さいと計算されるので、ここでの計算では無視される。ＤＢを比較するため、水素終端高ドープｎ型Ｓｉ（１００）に対するＳＴＭ像を多様な離隔距離に対して撮り、図１ｄにおいて、（Ｉ）２．３２ｎｍ、（ＩＩ）１．５６ｎｍ、（ＩＩＩ）１．１５ｎｍで現れている。図１ｃと１ｄとの間のＤＢ間隔の関数としての帯電状態の確率のプロットの挿入図は、図１ｄのＤＢ対Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩに対する離隔距離を示す。ハッチングされた曲線は、二個の電子の帯電状態の確率を表す。２本の帯電ＤＢ間の相互作用に対する有効誘電率は略
【数２３】
である。これは、古典的に導出される６．５との値よりも小さい（非特許文献２７）。特定の理論に縛られるものではないが、バルクと比較して低いＤＢの
【数２４】
の値は、ＤＢ軌道が真空中に部分的に局在していて、周囲のＳｉ表面原子に対して押し上げられている結果であると考えられる。また、この
【数２５】
の値は、帯電状態−１と−２との間のクロスオーバーの位置を、図１のような減少した距離におけるＤＢ対のＳＴＭ像にフィッティングすることによってもおおまかに裏付けられる。
【００４４】
ＤＢの帯電確率を考慮して、二本の量子力学的に結合したＤＢ間の量子力学的トンネリングレートは、そのトンネリングの試みの振動数ω／２π、トンネル係数Ｄ、及び、第一のＤＢが占有されている際に占有されていない第二のＤＢを有する確率
【数２６】
の積として以下のように与えられる
【数２７】
ここで、ｐ１ｅは、２‐ＤＢセルが１個の余分の電子を有する確率である。図１の挿入図の黒い曲線は、ＤＢ間隔の関数として単一の電子帯電状態の確率を与える。
【００４５】
量子力学的トンネリングレートの割合は、多様なデバイスファクタによって制御される。これらのファクタには、例えば、ＤＢ間隔（ＤＢ間隔が減少するにつれて量子力学的トンネリングレートが増大する）、障壁高さ、帯電状態確率が挙げられる。後者のファクタは、ドーピングレベル、半導体を変更することによって、及び／又は、局所的静電ポテンシャルを変化させる電極を使用することによって、変更される。
【００４６】
図４ａは３本の結合ＤＢを示す。異なる時間平均電子占有の結果として、ＤＢ間で明るさが変化している。例えば、ＤＢ２は、最も顕著な見た目を有しているので、最も低度に負である。図４ｂでは、第四の結合ＤＢ（ラベルＤＢ４）が、単一のＨ原子のＳＴＭ探針誘起の除去によって生成されたものとして示されている。図４の概略図は、四本のＤＢ構造が、規則的な矩形のＳｉ（１００）配置から離れて、直線状になっている様子を示す。
【００４７】
四本のＤＢのグループのうち最も広く離隔されたＤＢ（ラベルＤＢ２及びＤＢ４）は、最も暗い見た目になっている。局在した負の電荷による上向きのバンド曲がり及び局所的なＳＴＭ画像の暗さを考慮すると（非特許文献２２）、この構造における余分の電子は、最も遠いＤＢに主に位置していることが明らかであり、最大の電荷の離隔が最低のエネルギー配置に対応するという予測と矛盾しない。
【００４８】
少なくとも一つの空状態が、ＤＢ間の量子力学的相互作用には必要とされて、結合ＤＢの比較的明るい見た目につながるので、少なくとも一個の電子が排除されていることは明らかであり、また、グループを取り囲む暗いハローが存在しているので、いくつかの余分の電子がこのグループにおいて局在したままであることは明らかである。ＤＢセルの厳密な帯電状態は、サンプルのフェルミ準位ＥＦ（温度及びドーパント濃度に依存する）に依存し、また、固定されたＥＦに対しては、デバイスのＤＢ間の距離に依存する。計算によって、この決定を洗練することができて、クーロン反発力は、３個の電子が図４に示される構造に束縛されるには大き過ぎることがわかり、２個の余分の電子の占有をサポートしている。
【００４９】
図５は４本の結合ＤＢを示す。４本の結合ＤＢは、横方向の２回対称構造を有し、Ｌｅｎｔ及び共同研究者によって１９９３年に提案されたＱＣＡスキームを連想させる（非特許文献１８）。このようなデバイスは、量子力学的に結合した量子ドット及び２個の電子の正味の占有を必要として、図５の概略図に示されるように、論理レベル“０”及び“１”としてマッピング可能である二つの縮退した正反対の基底状態電子配置をもたらす。現在のところ、静電的な実施は、ミリケルビン範囲内の温度を必要として、漂遊電荷による制御不能な効果に悩まされていた（非特許文献２０）。図５に示される構造はＱＣＡとして動作可能であり、固有の２回電子縮退が、その状態をバイナリ状態にマッピングする。
【００５０】
選択的な電子の対称性の縮退の破壊に関して、ＱＣＡとしての４本の結合ＤＢのグループの動作プロセスを説明するため、より単純な２本の結合ＤＢのグループを参照して、点静電摂動の効果を理解する。
【００５１】
図６ａは結合ＤＢの対を示す。ＤＢ２は、ＤＢ１よりも僅かに見た目が明るい。図６ｂにおいて、追加の摂動ＤＢ（ラベルＤＢ３）の結果としての新たな効果が調べられている。摂動ＤＢ（ＤＢ３）は、最近接のＤＢから大きく離れすぎていて、他のＤＢと顕著には量子力学的に結合しない。ＤＢ３の非結合特性は、２個の電子の局在化による暗い見た目によって明らかになる。摂動ＤＢ３は量子力学的関係を介しては顕著に相互作用しないが、図６ｃに示されるラインプロファイルにおいて明らかな反発性のクーロン効果を働かせて、静電摂動がＤＢ２をＤＢ１よりも顕著に明るくしている。
【００５２】
この静電結合効果は、ＱＣＡデバイスにおいて必要とされるゲートのタイプの一例である（非特許文献２０、非特許文献２１）。他方に対する一方の占有の優性をもたらす対称性の破壊によるＤＢ３は、ＤＢ１‐ＤＢ２結合対における縮退を破壊するように選択的に動作する。注目すべき点は、結合ＤＢが、２ドットエンティティにおいてゼロ個ではなくて１個又は二個の電子を自然に有することによる“自己バイアス”効果を示すことによって、占有を調整する“フィリング（充填）”電極が必要でなくなる点である。図３ｂは、結合ＤＢ対効果におけるこの自然な一個の電子の存在を示す。図３ｃは、近接する摂動ＤＢの影響による量子力学的に結合したＤＢの対の一つの好ましい占有を示す。フィリングの制御を、従来の容量結合法、例えば電極を使用して行うことができる点は留意されたい。
【００５３】
結合ＤＢ対のこの単一電子の自然な充填を、結合ＤＢ対のより大きなグループに拡張する。このような結合ＤＢ対は、多様な配置で形成可能であり、例えば、線形、階段状の線形パターン、矩形、直線状、平行四辺形、セルラーニューラルネットワークを形成する他の多角形が含まれる。
【００５４】
図７は、４本の結合ＤＢ及び２本の対角に配置された摂動ＤＢを示す。概略図は６本全てのＤＢの位置を示す。電子占有を不安定にする負のゲート効果に矛盾せず、摂動ＤＢに最近接のグループ内の二本のＤＢがより明るく見えて、より低度に負の電荷が局在していることを示している。この静電的に設定された正反対の状態の観測が、図７ｂでは強調されている。
【００５５】
上述のような図７のグループに関する計算は、−３の正味の電荷が禁制クーロン反発力を伴うことを示す。−１及び−２の両方の電荷は、図７で観測される正反対のパターンと矛盾しない一方で、計算は、図７に示される特定のＤＢ間隔において４本のＤＢに対して、−２の電荷状態が好ましいものであることを示している。図７は、対称性の制御された静電破壊を示し、ＱＣＡセルの原子スケールの実施形態及び最も単純な機能例を表す。電極として作用するＳＴＭ探針での結合ＤＢの動作を超えた、量子ドットデバイス用の電極構造の構築は当該分野において知られている（非特許文献３８、非特許文献３９）。本願において、電極構造は、ＤＢを選択的に配置及び帯電させる性能を介して、室温動作可能ＱＣＡを形成することができる。ＱＣＡベースコンピューテーションの室温以上での実施は、理論化されていはいたが、本願発明までは実施困難なものであるとされていた。
【００５６】
４本の結合ＤＢのセルのグループを用いて、ＱＣＡコンピュータの素子を構築することができることは理解されたい。ＤＢアセンブリの異なるグループは、データ保存を可能にする。このような設計は、一つ以上のＱＣＡ及び／又は量子ビットの組み合わせを介して達成可能である。本発明は、余分の電子に関連する量子エンタングルメントがＤＢ間の量子力学的結合を帯電させ、そして、論理入力が電源としても機能することを示す。従来のデジタルマイクロエレクトロニクスデバイスとは異なり、本発明のデバイスが、単一の電極でも動作可能であることは理解されたい。ＱＣＡのノード間の状態情報の伝達の管理、及び、ＶＬＳＩ設計へのＱＣＡの集積は、当該分野において知られている（非特許文献４０）。
【００５７】
顕著な自由度が、電子占有及びデバイス動作に対する制御には存在している。わずかに更に広い間隔の構成は、クーロン反発力を低減して、より大きな正味の電荷を可能にし、それを自動的にもたらす。同様に、より近い間隔の構造は、電荷レベルの減少を自然と示す。ＱＣＡフレームワークによって必要とされるような−２のセル電荷を達成するこの“自己バイアス”は、多重及び単一のセル特有の“フィリング”電極を必要としないので、最も望ましいものである。グループから略２０オングストロームを超えた固定電荷は、ＳｉのＤＢベースＱＣＡセルの論理状態及びフィリングレベルに対して顕著な摂動ではないと計算されて、比較的離れた意図しない電荷に対するいくつかの量子ドットの鋭い感度と対照的である（非特許文献４１）。本発明の原子論的量子ドットのロバスト性は、ナノ結晶量子ドットと比較して大きな束縛状態のエネルギー準位間隔に起因するものであり、また、従来技術のデバイスが極低温条件を必要とするのと異なり、ＤＢが室温で動作可能なデバイスを形成することの結果である。
【００５８】
本明細書で言及した特定の文献は、本発明に関連する分野の当業者のレベルを示すものである。これらの文献は、各文献が本願に参照として明確且つ個別的に組み込まれていた場合と同程度に、参照として本願に組み込まれているものとする。
【００５９】
以上の説明は、本発明の特定の実施形態を例示するものであり、本発明の実施をそれらに制限するものではない。添付の特許請求の範囲及びその全ての等価物が、本発明の範囲を定めるものである。
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本願は、２００８年６月１７日出願の米国仮特許出願第６１／０７３１２６号の優先権を主張し、その開示内容は参照として本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般的に原子論的エレクトロニクスに係り、特に単一原子量子ドットで形成された量子セルオートマトンや量子ビットに関する。
【背景技術】
【０００３】
ナノエレクトロニクスの発展に関する性質の理解が大幅に進んでいる一方で、原子、分子又はナノスケールエンティティの演算回路への集積が困難なままである（非特許文献１〜１２）。量子ドットは典型的に、バルク物質のものと孤立単一原子又は分子のものとの中間のエネルギーによって分離されている量子化準位を示す原子又は分子の小クラスタで構成されている。量子ドットは、大きな回路内に空間特異性を有して所定の位置に形成され、特定してアドレスされていることが多いので、現在のところ、量子ドットは、電子回路が如何にして分子エレクトロニクスからの恩恵を享受できるのかについての最適な実例となる（非特許文献１３〜非特許文献１７）。
【０００４】
場を回避する一つの目標は、１９９３年にＬｅｎｔ及び共同研究者によって提案された量子セルオートマトン（ＱＣＡ，Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ａｕｔｏｍａｔａ）スキーム（非特許文献１８）を具体化するための多重量子ドットアンサンブルの生成である。この新しい計算用のパラダイムは、トンネル結合量子ドットの“セル”と、隣接するセル間の静電相互作用とに基づいている。このようなアンサンブルは、非常に低いエネルギーコストでバイナリ情報を伝え計算を行うことができると予測されている（非特許文献１８、非特許文献１９）。プロトタイプのＱＣＡセルは、正方形に配置された４つの量子ドットから成る。局所的な電極の制御によって、２個の電子の、二つの縮退した正反対の基底状態の電子配置の正味のセル電荷が提供される。局所的な静電電極が対称性を破壊して、ＱＣＡユニットが、対角の２つの電子状態の一方又は他方を占めるようにさせる。これらの状態を論理レベル“０”及び“１”としてマッピングすることができる。セル配列を生成することによって、セル間静電結合が、バイナリ情報を一つの点から他の点に伝えることが可能になる。ＱＣＡスキームの精緻化によって、バイナリデジタル計算のしきたりを保ちながら、計算用のロジックの完全実施が可能になる。ＱＣＡにおけるバイナリ計算スキームの保持によって、既存のソフトウェアをエネルギー効率的なＱＣＡデバイスで走らせることができるという利点が得られる。
【０００５】
最も単純な実施では、４量子ドット静電ＱＣＡは、休止電流を必要としない。ＱＣＡスキームは、“エッジ駆動”であり、つまり、論理入力は電源でもある（非特許文献２０）。数十ナノメートルのオーダの寸法を有する量子ドットで形成されたＱＣＡセル（非特許文献１９、非特許文献２１）や、結合３セル量子ワイヤ（非特許文献１２）が達成されている。また、ＱＣＡ状プロセスは、直列三重量子ドットシステムにおいても見られる（非特許文献２３）。ＱＣＡデバイスを形成しようとするこれらの努力は、状態の乱雑化を防止するためにミリケルビン範囲の温度が必要とされるという事実によって、決められた計算スキームにおける実施に限定されている（非特許文献２０）。量子ドットの局所的な、意図せずに固定された、若しくは時々変化する電荷、又は量子ドットのスプリアス欠陥電荷は、２電子フィリングを達成するための局所的な静電調整を必要且つ困難なものにしている（非特許文献２０）。また、極低温条件も、注入ドーパントに基づいた方法には必要とされる（非特許文献２４）。
【０００６】
量子ビットは、二つの論理レベル“０”と“１”との間で制御可能に変更される量子化情報システムであり、二次元複素ベクトル空間としてモデル化される。デジタル論理素子とは異なり、量子ビットは、摂動の発現である量子エンタングルメントと、近接する素子間のトンネル結合を示すように構築されることが好ましい。量子ビットのエンタングルメント項によって、“０”と“１”のレベルとの間の中間の値の重ね合わせの無限の組が得られ、多くの多変数力学現象の計算を扱い易くすることができる。ＱＣＡデバイスに関して、電子状態変更量子ビットは、大気温度で動作するようにはできていない。
【０００７】
原子論的量子ドットは、単一原子又は分子に基づいていて、軌道エネルギー準位の単純化された組を有していて、次元性の低減、ナノ粒子量子ドットに対して相対的に意図せずに固定された又は散発的な帯電に影響され難いという点に利点がある。これらの及び他の予測される属性の結果として、分子ＱＣＡセルが、室温動作を目標として構想されている（非特許文献２５）。分子量子ドットの局在化及び制御されたアドレシングに関連する難しさが、分子ＱＣＡセルの生成の妨げとなっている。同様の問題が、静電状態遷移ベースの量子ビットにも存在している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Ａ．Ａｖｉｒａｍ、Ｍ．Ａ．Ｒａｔｎｅｒ、“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ”、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、１９７４年、第２９巻、ｐ．２７７−２８３
【非特許文献２】Ｍ．Ａ．Ｒｅｅｄ、Ｃ．Ｚｈｏｕ、Ｃ．Ｊ．Ｍｕｌｌｅｒ、Ｔ．Ｐ．Ｂｕｒｇｉｎ、Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ、“Ｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｏｆ ａ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９９７年、第２７８巻、ｐ．２５２−２５４
【非特許文献３】Ｘ．Ｄ．Ｃｕｉ、Ａ．Ｐｒｉｍａｋ、Ｘ．Ｚａｒａｔｅ、Ｊ．Ｔｏｍｆｏｈｒ、Ｏ．Ｆ．Ｓａｎｋｅｙ、Ａ．Ｌ．Ｍｏｏｒｅ、Ｔ．Ａ．Ｍｏｏｒｅ、Ｄ．Ｇｕｓｔ、Ｇ．Ｈａｒｒｉｓ、Ｓ．Ｍ．Ｌｉｎｄｓａｙ、“Ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｌｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００１年、第２９４巻、ｐ．５７１−５７４
【非特許文献４】Ｙ．Ｓｅｌｚｅｒ、Ｌ．Ｃａｉ、Ｍ．Ａ．Ｃａｂａｓｓｉ、Ｙ．Ｙａｏ、Ｊ．Ｍ．Ｔｏｕｒ、Ｔ．Ｓ．Ｍａｙｅｒ、Ｄ．Ｌ．Ａｌｌａｒａ、“Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｏｎ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ： Ｉｓｏｌａｔｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｖｅｒｓｕｓ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ”、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、２００５年、第５巻、ｐ．６１−６５
【非特許文献５】Ｄ．Ｊ．Ｗｏｌｄ、Ｒ．Ｈａａｇ、Ｍ．Ａ．Ｒａｍｐｉ、Ｃ．Ｄ．Ｆｒｉｓｂｅｅ、“Ｄｉｓｔａｎｃｅ ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｔｈｒｏｕｇｈ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｒｏｂｅ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ： Ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ ｖｅｒｓｕｓ ｓａｔｕｒａｔｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ”、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ、２００２年、第１０６巻、ｐ．２８１３−２８１６
【非特許文献６】Ｗ．Ｗａｎｇ、Ｔ．Ｌｅｅ、Ｉ．Ｋｒｅｔｚｓｃｈｍａｒ、Ｍ．Ａ．Ｒｅｅｄ、“Ｉｎｅｌａｓｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ａｎ ａｌｋａｎｅｄｉｔｈｉｏｌ ｓｅｌｆ−ａｓｓｅｍｂｌｅｄ ｍｏｎｏｌａｙｅｒ”、Ｎａｎｏ Ｌｅｔｔ．、２００４年、第４巻、ｐ．６４３−６４６
【非特許文献７】Ｃ．−Ｃ．Ｋａｕｎ、Ｈ．Ｇｕｏ、Ｐ．Ｇｒｕｅｔｔｅｒ、Ｒ．Ｂ．Ｌｅｎｎｏｘ、“Ｍｏｍｅｎｔｕｍ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｉｎ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｗｉｒｅｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００４年、第７０巻、ｐ．１９５３０９
【非特許文献８】Ｇ．Ｖ．Ｎａｚｉｎ、Ｘ．Ｈ．Ｑｉｕ、Ｗ．Ｈｏ、“Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ａ ｍｅｔａｌ−ｍｏｌｅｃｕｌｅ−ｍｅｔａｌ ｂｒｉｄｇｅ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００３年、第３０２巻、ｐ．７７−８１
【非特許文献９】Ｚ．Ｙａｎｇ、Ｍ．Ｃｈｓｈｉｅｖ、Ｍ．Ｚｗｏｌａｋ、Ｍ．Ｄｉ Ｖｅｎｔｒａ、“Ｒｏｌｅ ｏｆ ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎｄｕｃｅｄ ｆｏｒｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｔｏｍｉｃ ｗｉｒｅｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００５年、第７１巻、ｐ．０４１４０２（Ｒ）
【非特許文献１０】Ｐ．Ｄａｍｌｅ、Ｔ．Ｒａｋｓｈｉｔ、Ｍ．Ｐａｕｌｓｓｏｎ、Ｓ．Ｄａｔｔａ、“Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｖｏｌｔａｇｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ： ｔｗｏ ｖｅｒｓｕｓ ｔｈｒｅｅ ｔｅｒｍｉｎａｌ”、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｎａｎｏｔｅｃｈ．、２００２年、第１巻、ｐ．１４５−１５３
【非特許文献１１】Ｅ．Ｇ．Ｅｍｂｅｒｌｙ、Ｇ．Ｋｉｒｃｚｅｎｏｗ、“Ｔｈｅ ｓｍａｌｌｅｓｔ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｗｉｔｃｈ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、２００３年、第９１巻、ｐ．１８８３０１
【非特許文献１２】Ｕ．Ｌａｎｄｍａｎ、Ｗ．Ｄ．Ｌｕｅｄｔｋｅ、“Ｓｍａｌｌ ｉｓ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ： ｅｎｅｒｇｅｔｉｃ， ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ， ｔｈｅｒｍａｌ， ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ ｎａｎｏｃｌｕｓｔｅｒ ａｓｓｅｍｂｌｉｅｓ”、Ｆａｒａｄａｙ Ｄｉｓｃｕｓｓ．、２００４年、第１２５巻、ｐ．１−２２
【非特許文献１３】Ｓ．Ｄｅ Ｆｒａｎｃｅｓｃｈｉ、Ｓ．Ｓａｓａｋｉ、Ｊ．Ｍ．Ｅｌｚｅｒｍａｎ、Ｗ．Ｇ．ｖａｎ ｄｅｒ Ｗｉｅｌ、Ｓ．Ｔａｒｕｃｈａ、Ｌ．Ｐ．Ｋｏｕｗｅｎｈｏｖｅｎ、“Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｏｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ ａ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、２００１年、第８６巻、ｐ．８７８−８８１
【非特許文献１４】Ａ．Ｗ．Ｈｏｌｌｅｉｔｎｅｒ、Ｒ．Ｈ．Ｂｌｉｃｋ、Ａ．Ｋ．Ｈｕｅｔｔｅｌ、Ｋ．Ｅｂｅｒｌ、Ｊ．Ｐ．Ｋｏｔｔｈａｕｓ、“Ｐｒｏｂｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ Ｂｏｎｄｓ ｏｆ ａｎ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍｏｌｅｃｕｌｅ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２００２年、第２９７巻、ｐ．７０−７２
【非特許文献１５】Ｊ．Ｍ．Ｅｌｚｅｒｍａｎ、Ｒ．Ｈａｎｓｏｎ、Ｊ．Ｓ．Ｇｒｅｉｄａｎｕｓ、Ｌ．Ｈ．Ｗｉｌｌｅｍｓ ｖａｎ Ｂｅｖｅｒｅｎ、Ｓ．Ｄｅ Ｆｒａｎｃｅｓｃｈｉ、Ｌ．Ｍ．Ｋ．Ｖａｎｄｅｒｓｙｐｅｎ、Ｓ．Ｔａｒｕｃｈａ、Ｌ．Ｐ．Ｋｏｕｗｅｎｈｏｖｅｎ、“Ｆｅｗ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｈａｒｇｅ ｒｅａｄ ｏｕｔ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ．、２００３年、第６７巻、ｐ．１６１３０８
【非特許文献１６】Ｍ．Ｐｉｏｒｏ−Ｌａｄｒｉｅｒｅ、Ｍ．Ｒ．Ａｂｏｌｆａｔｈ、Ｐ．Ｚａｗａｄｚｋｉ、，Ｊ．Ｌａｐｏｉｎｔｅ、Ｓ．Ａ．Ｓｔｕｄｅｎｉｋｉｎ、Ａ．Ｓ．Ｓａｃｈｒａｊｄａ、Ｐ．Ｈａｗｒｙｌａｋ、“Ｃｈａｒｇｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ ａｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｈ２＋ ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｉｎ ｌａｔｅｒａｌ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００５年、第７２巻、ｐ．１２５３０７
【非特許文献１７】Ｌ．Ｇａｕｄｒｅａｕ、Ｓ．Ａ．Ｓｔｕｄｅｎｉｋｉｎ、Ａ．Ｓ．Ｓａｃｈｒａｊｄａ、Ｐ．Ｚａｗａｄｚｋｉ、Ａ．Ｋａｍ、Ｊ．Ｌａｐｏｉｎｔｅ、Ｍ．Ｋｏｒｋｕｓｉｎｓｋｉ、Ｐ．Ｈａｗｒｙｌａｋ、“Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ Ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ａ Ｆｅｗ−Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｔｒｉｐｌｅ Ｄｏｔ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、２００６年、第９７巻、ｐ．０３６８０７
【非特許文献１８】Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｐ．Ｄ．Ｔｏｕｇａｗ、Ｗ．Ｐｏｒｏｄ、Ｇ．Ｈ．Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ、“Ｑｕａｎｔｕｍ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１９９３年、第４巻、ｐ．４９−５７
【非特許文献１９】Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ： ｂｙｐａｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｐａｒａｄｉｇｍ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０００年、第２８８巻、ｐ．１５９７−１５９９
【非特許文献２０】Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｐ．Ｄ．Ｔｏｕｇａｗ、“Ａ ｄｅｖｉｃｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｆｏｒ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｗｉｔｈ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ、１９９７年、第８５巻、ｐ．５４１−５５７
【非特許文献２１】Ａ．Ｏ．Ｏｒｌｏｖ、Ｉ．Ａｍｌａｎｉ、Ｇ．Ｈ．Ｂｅｒｎｓｔｅｉｎ、Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｇ．Ｌ．Ｓｎｉｄｅｒ、“Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｅｌｌ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｓｃｉｅｎｃｅ、１９９７年、第２７７巻、ｐ．９２８−９３０
【非特許文献２２】Ｋ．Ｋ．Ｙａｄａｖａｌｌｉ、Ａ．Ｏ．Ｏｒｌｏｖ、Ｊ．Ｐ．Ｔｉｍｌｅｒ、Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｇ．Ｌ．Ｓｎｉｄｅｒ、“Ｆａｎｏｕｔ ｇａｔｅ ｉｎ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、２００７年、第１８巻、ｐ．３７５４０１
【非特許文献２３】Ｄ．Ｓｃｈｒｏｅｅｒ、Ａ．Ｄ．Ｇｒｅｅｎｔｒｅｅ、Ｌ．Ｇａｕｄｒｅａｕ、Ｋ．Ｅｂｅｒｌ、Ｌ．Ｃ．Ｌ．Ｈｏｌｌｅｎｂｅｒｇ、Ｊ．Ｐ．Ｋｏｔｔｈａｕｓ、Ｓ．Ｌｕｄｗｉｇ、“Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃａｌｌｙ ｄｅｆｉｎｅｄ ｓｅｒｉａｌ ｔｒｉｐｌｅ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔ ｃｈａｒｇｅｄ ｗｉｔｈ ｆｅｗ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００７年、第７６巻、ｐ．０７５３０６
【非特許文献２４】Ｊ．Ｈ．Ｃｏｌｅ、Ａ．Ｄ．Ｇｒｅｅｎｔｒｅｅ、Ｃ．Ｊ．Ｗｅｌｌａｒｄ、Ｌ．Ｃ．Ｌ．Ｈｏｌｌｅｎｂｅｒｇ、Ｓ．Ｐｒａｗｅｒ、“Ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ ｕｓｉｎｇ ｂｕｒｉｅｄ ｄｏｐａｎｔｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、２００５年、第７１巻、ｐ．１１５３０２
【非特許文献２５】Ｃ．Ｓ．Ｌｅｎｔ、Ｂ．Ｉｓａｋｓｅｎ、Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ、“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、２００３年、第１２５巻、ｐ．１０５６−１０６３
【非特許文献２６】Ｐ．Ｇ．Ｐｉｖａ、Ｇ．Ａ．ＤｉＬａｂｉｏ、Ｊ．Ｌ．Ｐｉｔｔｅｒｓ、Ｊ．Ｚｉｋｏｖｓｋｙ、Ｍ．Ｒｅｚｅｋ、Ｓ．Ｄｏｇｅｌ、Ｗ．Ａ．Ｈｏｆｅｒ、Ｒ．Ａ．Ｗｏｌｋｏｗ、“Ｆｉｅｌｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｌｅｃｕｌｅ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ｂｙ ａ ｃｈａｒｇｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ａｔｏｍ”、Ｎａｔｕｒｅ、２００５年、第４３５巻、ｐ．６５８−６６１
【非特許文献２７】Ｐｈ．Ｅｂｅｒｔ、“Ｎａｎｏ−ｓｃａｌｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｕｒｆａｃｅｓ”、Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｐｏｒｔｓ、１９９９年、第３３巻、ｐ．１２１−３０３
【非特許文献２８】Ｊ．Ｗ．Ｌｙｄｉｎｇ、Ｔ．−Ｃ．Ｓｈｅｎ、Ｊ．Ｓ．Ｈｕｂａｃｅｋ、Ｊ．Ｒ．Ｔｕｃｋｅｒ、Ｇ．Ｃ．Ａｂｅｌｎ、“Ｎａｎｏｓｃａｌｅ ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ ａｎｄ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈ−ｐａｓｓｉｖａｔｅｄ Ｓｉ（１００）−２×１ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｌｔｒａｈｉｇｈ ｖａｃｕｕｍ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ”、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、１９９４年、第６４巻、ｐ．２０１０−２０１２
【非特許文献２９】Ｐｈ．Ｅｂｅｒｔ、“Ａｔｏｍｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓｕｒｆａｃｅｓ”、Ｃｕｒｒ．Ｏｐｉｎ．Ｉｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ“、２００１年、第５巻、ｐ．２１１−２５０
【非特許文献３０】Ｊ．Ｊ．Ｂｏｌａｎｄ、“Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｖｅ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ ｈｙｄｒｏｇｅｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｓｉ（１００）−２×１ ｓｕｒｆａｃｅ”、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ａ、１９９２年、第１０巻、ｐ．２４５８−２４６４
【非特許文献３１】Ｔ．Ｈｉｔｏｓｕｇｉ、Ｓ．Ｈｅｉｋｅ、Ｔ．Ｏｎｏｇｉ、Ｔ．Ｈａｓｈｉｚｕｍｅ、Ｓ．Ｗａｔａｎａｂｅ、Ｚ．−Ｑ．Ｌｉ、Ｋ．Ｏｈｎｏ、Ｙ．Ｋａｗａｚｏｅ、Ｔ．Ｈａｓｅｇａｗａ、Ｋ．Ｋｉｔａｚａｗａ、“Ｊａｈｎ−Ｔｅｌｌｅｒ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｉｎ ｄａｎｇｌｉｎｇ−ｂｏｎｄ ｌｉｎｅａｒ ｃｈａｉｎｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｏｎ ａ ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｔｅｒｍｉｎａｔｅｄ Ｓｉ（１００）−２×１ ｓｕｒｆａｃｅ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．、１９９９年、第８２巻、ｐ．４０３４−４０３７
【非特許文献３２】Ａ．Ｄ．Ｂｅｃｋｅ、“Ｄｅｎｓｉｔｙ−ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ．ＩＩＩ．Ｔｈｅ ｒｏｌｅ ｏｆ ｅｘａｃｔ ｅｘｃｈａｎｇｅ”、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．、１９９３年、第９８巻、ｐ．５６４８−５６５２
【非特許文献３３】Ｃ．Ｌｅｅ、Ｗ．Ｙａｎｇ、Ｒ．Ｇ．Ｐａｒｒ、“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｌｌｅ−Ｓａｌｖｅｔｔｉ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｆｏｒｍｕｌａ ｉｎｔｏ ａ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、１９８８年、第３７巻、ｐ．７８５−７８９
【非特許文献３４】Ｍ．Ｊ．Ｆｒｉｓｃｈ外、Ｇａｕｓｓｉａｎ ０３ Ｒｅｖｉｓｉｏｎ Ｃ．０２（Ｇａｕｓｓｉａｎ，Ｉｎｃ．、コネチカット州ウォリンフォード、２００４年）
【非特許文献３５】Ｇ．Ｂｕｒｋａｒｄ、Ｄ．Ｌｏｓｓ、Ｄ．Ｐ．Ｄｉ Ｖｉｎｃｅｎｚｏ、“Ｃｏｕｐｌｅｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｄｏｔｓ ａｓ ｑｕａｎｔｕｍ ｇａｔｅｓ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、１９９９年、第５９巻、ｐ．２０７０−２０７８
【非特許文献３６】Ｊ．Ｈ．Ｗｅｉｎｅｒ、“Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｖｓ ｅｎｅｒｇｙ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｉｎ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ”、Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．、１９７８年、第６９巻、ｐ．４７４３−４７４９
【非特許文献３７】Ｌ．Ｒｅｓｃａ、Ｒ．Ｄ．Ｇｒａｆｔ、“Ｉｎｔｅｒｖａｌｌｅｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ−ｍａｓｓ ｔｈｅｏｒｙ： ｐｓｅｕｄｏｐｏｔｅｎｔｉａｌ ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎ”、Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｂ、１９８５年、第３２巻、ｐ．１０６８−１０７６
【非特許文献３８】Ａ．Ｏ．Ｏｒｌｏｖ外、“Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｂｉｎａｒｙ ｗｉｒｅ ｆｏｒ ｑｕａｎｔｕｍ−ｄｏｔ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、１９９９年、第７４巻、第１９号、ｐ．２８７５−２８７７
【非特許文献３９】Ｈ．Ｑｉ外、“Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ ｃｅｌｌｓ． ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ ｄｒｉｖｅｎ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｂｏｕｎｄ ａｒｒａｙ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌｌｙ ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｔｗｏ−ｄｏｔ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｅｌｌｕｌａｒ ａｕｔｏｍａｔａ”、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、２００３年、第１２５巻、ｐ．１５２５０−１５２５９
【非特許文献４０】Ｄ．Ａ．Ａｎｔｏｎｅｌｌｉ、“Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｄｏｔ Ｃｅｌｌｕｌａｒ Ａｕｔｏｍａｔａ（ＱＣＡ） ｃｉｒｃｕｉｔ ｐａｒｔｉｔｉｏｎｉｎｇ： ｐｒｏｂｌｅｍ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ”、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ４１ｓｔ ａｎｎｕａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ、２００４年６月７日〜１１日、米国カリフォルニア州サンディエゴ
【非特許文献４１】Ｊ．Ｒ．Ｔｕｃｋｅｒ、Ｔ．−Ｃ．Ｓｈｅｎ、“Ｃａｎ ｓｉｎｇｌｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ ｑｕａｎｔｕｍ ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ ｂｅ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ？”、Ｉｎｔ．Ｊ．Ｃｉｒｃ．Ｔｈｅｏｒ．Ａｐｐｌ．、２０００年、第２８巻、ｐ．５５３−５６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、ミリケルビン以上の温度での動作可能性を備えた電子的にアドレス可能な分子又は原子量子ドットが必要とされている。更には、分子又は原子量子ドットの秩序的な配置を含むＱＣＡ及び量子ビットデバイスが必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
量子デバイスが、物質の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドを含んで提供される。各制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドは、物質の少なくとも一つの原子の他の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドからの間隔を有する。制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの電子状態を選択的に変更するための少なくとも一つの電極が提供される。三つの他のシリコン原子のみに結合したシリコンの表面原子が、ダングリングボンドの形成には特に適していて、所望の間隔で形成される。３から４０オングストロームの間隔が、ダングリングボンド間の量子力学的結合相互作用には特に適している。制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンド内に少なくとも一個の追加の電子を、その一個の追加の電子のそれぞれに対して少なくとも一本の非占有ダングリングボンドが存在するという条件で提供することによって、本発明のデバイスは、少なくとも２９３ケルビンまで動作可能となり、漂遊静電摂動に対して大幅に影響され難くなる。
【００１１】
２９３ケルビン以上の温度で動作可能な量子セルオートマトンが、複数のこのようなデバイスを相互接続を介して連結するように提供することによって、形成される。２９３ケルビン以上の温度で動作可能な量子ビットは、物質の表面から延伸する制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンド及び少なくとも二つの電極を有し、０及び１のデジタル論理レベル間の中間の値の重ね合わせの無限の組を提供する量子コンピューテーション用の量子回路が形成される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】水素終端Ｓｉ（１００）上のダングリングボンド（ＤＢ，ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄ）の画像の比較をバルクドーピング密度（図１ａ及びｂ）及び離隔距離（図１ｃ及びｄ）の関数として示す走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ，ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）の顕微鏡写真である。上部の挿入図は表面構造を示し、シリコンダイマーが黒色で示され、表面下シリコン原子が灰色で、水素原子が空白で示されている。図１ａは、３５×３５ｎｍのエリアに対する低ドープｎ型シリコン（〜１０１６ｃｍ−３）の、２Ｖ、０．１ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。ダングリングボンドが、明るいスポット（二つが矢印で指されている）として見える。図１ｂは、３５×３５ｎｍのエリアに対する高ドープｎ型シリコン（〜１０１９ｃｍ−３）の、２．２Ｖ、０．１ｎＡで撮られた顕微鏡写真である。ダングリングボンドが、中心スポットを備えた暗いくぼみとして見える。図１ｃは、９×９ｎｍの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。シリコン表面は水素放出の前には一様に見える。図１ｄは、９×９ｎｍの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。ダングリングボンドの三つのグループが設けられている。（Ｉ）２．３２ｎｍの非結合ＤＢ対。（ＩＩ）１．５６ｎｍの結合ＤＢ対。（ＩＩＩ）１．１５ｎｍの結合ＤＢ対。下部の挿入図は、離隔距離に基づいたＤＢ対の帯電確率を示す。実曲線及びハッチングされた曲線はそれぞれ、一電子占有、二電子占有を表す。位置Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩは、図１ｄの関連するＤＢ対に対応する。
【図２】水素終端Ｓｉ（１００）上のダングリングボンドの結合及び非結合を示すＳＴＭ顕微鏡写真である。図２ａは、１０×１０ｎｍのエリアの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。二本の負ダングリングボンドがＤＢ１及びＤＢ２で示されている。図２ｂは、１０×１０ｎｍのエリアの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。新たなＤＢが、ＤＢ２の近くでのＳＴＭ誘起のＨ放出によって生成されている。ＤＢ２及びＤＢ３が結合している。図２ｃは、９×９ｎｍのエリアの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。ＤＢ４は孤立していて負である。ＤＢ５及びＤＢ６が結合している。図２ｄは、９×９ｎｍのエリアの２Ｖ、０．２ｎＡで撮られたＳＴＭ顕微鏡写真である。水素原子（Ｈ）がＤＢ６を覆っている。ＤＢ５が孤立して負になっている。
【図３】可変間隔ポテンシャルウェルとしての対になったＤＢのプロットである。図３ａは、孤立ＤＢを示し、それぞれ負に帯電している（中性のＤＢは一個の電子の占有を有し、負のＤＢは基底状態エネルギーＥ０において二個の電子によって占有されている）。図３ｂは、クーロン反発相互作用Ｖｅｌの結果と、一個の電子が結合ＤＢの対から排除されて、一個の電子の正味の電荷がもたらされる様子とを示す。各ＤＢが一個の余分の電子を有する占有状態（シェーディングされている）は、距離が減少すると次第に好ましくないものになる。反発性のハバード・オンサイトペアリングエネルギーＵ及び量子力学的分裂エネルギーｔも示されていて、ｄは最近接のダイマー間距離である。図３ｃは、二本の量子力学的に結合したＤＢに対する、第三のより遠くて負に帯電したＤＢ近傍における摂動された二重ウェルポテンシャルを示す。ＤＢの表面被覆率は低いとされるので、バンド曲がりは、帯電ＤＢの間近から離れた表面においては無視できる。ＣＢＭ及びＶＢＭはそれぞれ、伝導バンド最小値、価電子バンド最大値である。
【図４】非対称なＤＢ配置における結合を示すＳＴＭ顕微鏡写真である。図４ａは３本の結合ＤＢを示す。ＤＢの格子位置は画像の下に示されている。明らかな不等性が３本のＤＢ間には存在している。ＤＢ２が最も明るい一方で、ＤＢ１及びＤＢ３は暗く見える。図４ｂは、第四の結合ＤＢが単一のＨ原子の除去によって生成された後の同じエリアを示す。ＤＢ２が明るくないものになっている一方で、ＤＢ１及びＤＢ３が今度は最も明るい。シリコン表面上のＤＢの一を表すグリッドが顕微鏡写真の下に示されている。ダッシュはシリコンダイマーを表し、円は結合シリコンＤＢを表す。円のサイズは、その上のＳＴＭ像に見られるようなＤＢの強度を示す。明るいＤＢと明るくないＤＢとの間の平均の高さの差は、図４ａ、図４ｂに対してそれぞれ〜０．４Å、〜０．７Åである。
【図５】対称なＤＢ配置における結合のＳＴＭ像である。４本のＤＢの対称なグループが、四個の単一のＨ原子をＳｉ（１００）から除去することによって生成されている。ＤＢの明るい見た目は、個々のＤＢが結合していることを示す。ＤＢの高さは０．１Å以内で等しい。シリコン表面上のＤＢの位置を表すグリッドが図の下に示されている。ダッシュはシリコンダイマーを表し、赤い円は結合シリコンＤＢを表す。単一のＱＣＡセルの概略図が顕微鏡写真の隣に示されている。バイナリ状態“０”及び“１”のセルが示されている。
【図６】結合ＤＢに対する静電摂動の実例を与えるＳＴＭ像である。図６ａは二本の結合ＤＢを示す。ＤＢ対の高さプロファイルが、図６ｃの下方のプロファイル曲線に示されている。僅かな非対称性のみが断面図で明らかになっている。図６ｂは第三のＤＢの追加後の図６ａと同じエリアである。ＤＢ３は、負に帯電していて、ＤＢ１及びＤＢ２と結合していない。ＤＢ対の高さプロファイルが図６ｃの上方の曲線に示されている。ここでは、ＤＢ２は、負に帯電したＤＢ３に対する近接性の結果としてはるかに明るく見える。挿入図は、シリコン表面上のＤＢの位置を表すグリッドを示す。ダッシュはシリコンダイマーを表し、円は結合シリコンＤＢを表し、左上の円は、非結合の負に帯電したシリコンＤＢを表す。ＤＢ１及びＤＢ２の円のサイズは、ＳＴＭ像に見られるようなＤＢの強度を示す。図６ｃは、摂動ＤＢ（ＤＢ３）を追加した前（下方）と後（上方）とのＤＢ対に対する相対的な高さプロファイルのグラフの比較である。明確にするため、ラインプロファイルはずらされている。
【図７】対角に配置された追加の二本の静電摂動ＤＢを備えた直線状の四本の結合ＤＢエンティティを示すＳＴＭ像である。図７ａは、負の摂動ＤＢに最近接の２本の結合ＤＢが、それらのサイトにおける好ましくない電子占有の結果として比較的見た目が明るい様子を示すＳＴＭ像である。シリコン表面上のＤＢの位置を表すグリッドが図の下方に示されている。ダッシュはシリコンダイマーを表し、円は結合シリコンＤＢを表し、Ｘは非結合の負に帯電したシリコンＤＢを表す。円のサイズは、上方のＳＴＭ像に見られるようなＤＢの強度を示す。明るいＤＢと明るくないＤＢとの間の平均の高さの差は〜０．４Åである。図７ｂは、図７ａのＳＴＭ像のカラーマッピングを示すＳＴＭ像であり、トポグラフィーの違いが明確に描かれている。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明には、量子セルオートマトンや量子ビット等の原子論的電子デバイスの形成における有用性がある。原子論的量子ドットは、制御可能に量力学的に結合されて、量子セルオートマトンデバイス又はコンピュータ量子ビットのブロックを具体化する。好ましい実施形態では、ダングリングボンド（ＤＢ，ｄａｎｇｌｉｎｇ ｂｏｎｄ）が、原子論的量子ビットとして動作する。このようなセルは、自己バイアス効果を示し、電子占有が、セルの幾何学的形状及びフェルミ準位によって設定される。セルのバイナリ状態は静電的に制御される。以前のようなミリケルビンでの実施とは異なり、本発明のデバイスは、ミリケルビン以上、更には室温（２９３ケルビン）で動作して、漂遊静電摂動に対してほとんど影響を受けない。本発明のダングリングボンド量子デバイスは、近接する静電摂動ダングリングボンド又は電極（本発明のデバイスを支持する表面の上又は下に懸架されているか、またはその表面上に存在する）によって制御される。例えば、電極は、薄膜コンタクトや、ナノワイヤ、ＳＴＭ探針を含む。オプションとして、電極を使用又はバイアスして、結合ダングリングボンドの局在ダイナミクスを感知することができる。
【００１４】
ユニタリ変換を行うための量子ビットハミルトニアンに対する制御は、ＤＢや電極等の摂動種の形成／除去を介して本発明に従って行われ、結合二ＤＢ量子ビット内でユニタリ変換を生成する。同様に、キュートリット（ｑｕｔｒｉｔ）及びクアッドリット（ｑｕａｄｒｉｔ）が、それぞれ３又は４本のＤＢの結合を介して本発明により容易に形成される。５、６、７、８本更にはそれ以上の結合ＤＢを含む高次ＤＢエンティティも、本発明による室温量子コンピューテーショナルデバイスとして可能であると考えられる。
【００１５】
本発明のデバイスの特徴は、超低消費電力、１Ｋから室温以上での動作、超高デバイス密度、追加の電子電荷が提供された際の“自己バイアス”特性の実例である。室温における電子状態遷移ＱＣＡ又は量子ビットデバイスとしての動作も提供される。
【００１６】
単一電極構造及び多重電極構造は、半導体量子ドットＱＣＡ及び分子ＱＣＡシステムに関して当該分野において知られている（非特許文献３８、非特許文献３９）。これらの電極構造及び配置は本願においても機能する。ＳＴＭ探針は、例示的な単一電極デバイスとして使用される。二電極システムは、例えば、ＤＢに摂動を与える電源としての第一の論理入力と、結合ＤＢ電子状態をモニタリングする第二の電極とを有する。
【００１７】
本発明のデバイスは、物質のダングリングボンド（ＤＢ）の空間的に制御された形成によって形成される。本発明によると、シリコンは、ダングリングボンドの生成用の好適な表面を代表する。しかしながら、少なくとも１オングストロームにわたって延在する静電ポテンシャルを誘起する局在電荷をサポートすることができる他の表面も本願において機能することは理解されたい。他のこのような物質には、例えば、帯電原子及び／又は量子ドットをサポートすることができる多くの半導体、化合物半導体（ゲルマニウム、ダイヤモンド、グラファイト、グラフェン、ＧａＡｓ、ＩｎＳｂ）、遷移金属カルコゲナイド、薄いインシュレータ・オン・コンダクタ、薄いインシュレータ・オン・セミコンダクタの表面が含まれる。
【００１８】
シリコン等の半導体の表面上の単一原子は、−１から＋１の電子電荷の範囲内で制御可能に帯電される。本願において、ホスト格子のものと異なる元素の原子の電荷に対しても同様の制御が得られ、表面上にダングリングボンドを形成する少なくとも一のイオン化不純物原子又は分子を含むことは理解されたい。
【００１９】
電荷制御される原子は、ＤＢを形成する相手のいない軌道の元素に対する通常のものよりも少ない結合の相手を有しなければならない。例えば、シリコン原子は、通常四本の結合を共有するが、三本の結合のみが関与するように制限されているのであれば帯電が制御可能である。この状況は、各表面原子が三配位結合を有しているシリコン結晶の表面では自然に達成される。単一の帯電可能原子は、一つを除いて全ての表面シリコン原子に水素原子を結合させて、その表面シリコン原子が三本のシリコン‐シリコン結合及び一本のＳｉ‐Ｈ結合を共有し、空間的に制御された近接性で複数のこのようなＤＢを形成することによって、生成される。本発明によると、単一のＤＢは、シリコン表面上に空間制御されて容易に形成される。空間制御によって、ＤＢ及びその感知リードの制御された構築に対して、ダングリングボンド電子配置に基づいた実際的な量子コンピューティングアーキテクチャを開発することができる。これは、リン原子の配置に対する位置制御に欠けるリン原子によるシリコン格子のドーピングという従来技術とは対照的である。
【００２０】
こうした原子は、ＤＢに附随して、バンドギャップ内に存在している空間的に局在した電子エネルギー状態を有する。ＤＢは、バルク半導体の価電子バンドエッジよりもエネルギーが高い一方で、伝導バンドエッジの底よりもエネルギーが低い。ＤＢは伝導バンドからエネルギー的に非結合とされているので、ＤＢは、本発明のＱＣＡ及び量子ビットデバイスをミリケルビン以上で最大２９３ケルビンを超えて動作可能にする原子論的クオリティを有する。本発明の特質は、従来技術のＱＣＡデバイスがミリケルビンでの動作を必要としたのとは著しく対照的である。ＤＢの特定の電荷レベルは、複数のパラメータの関数であり、それらのパラメータは主に、ギャップ状態密度、バルク結晶のドーピング濃度、物理的配置、印加される相対的な静電ポテンシャルである。
【００２１】
電子の量子力学的相互作用を介したＤＢを有する二つ以上の原子の結合に依存した距離で、１ケルビン以上、更には２９３ケルビン以上の温度で動作するＱＣＡ及び量子ビットデバイスが形成される。ＤＢが通常の負電荷の条件下で利用される場合、クーロン反発力が、ＤＢによる自己バイアス、及びＤＢを含むデバイスを提供し、具体的には不完全な電子占有が生じることによって、原子間の量子力学的相互作用、特にトンネリングが可能となる。量子力学的結合は、略４から２０オングストロームの距離において明確である。双安定性４シリコン原子ＱＣＡセルを一つの論理状態に静電設定することが室温において実現される。同様に、同じＤＢアンサンブルは、純粋な又はエンタングルした量子ビットとして動作可能である。
【００２２】
−１の電荷のＤＢ量子ビットは、そのロバストな室温性能によってＱＣＡの好ましい構成要素であると考えられる。近接するＤＢの中性対によって、制御可能な量子力学的結合が、励起の際に量子ビットとして機能する所定のＤＢ間の間隔を備えたＨ２に類似する人工分子エンティティを形成することが可能になる。更には、二本よりも多くの量子力学的に結合した中性ＤＢは、環状炭素のπ電子系の多様な電子配置を模倣することができる。
【００２３】
図１ｄは、ＤＢ間の距離の効果を示し、近い間隔のＤＢは、より離れて隣接するＤＢと比較して“明るい”見た目となる。また、或る閾値を超えると、更なる間隔の減少が更なる明るさの増強につながることも見て取れる。水素終端Ｓｉ表面から単一のＨ原子を制御して除去することによって、ＤＢが、隣接するＤＢ間の制御された距離で所望のパターンに形成される。ＤＢを欠いた少なくとも一つの原子が、隣接するＤＢを離隔して、クーロン結合の程度を、デバイス形成を容易にする程度に限定する。隣接するＤＢ間にＤＢを欠いた少なくとも一つの原子が存在することに基づいて、一つのシリコンダイマー（非特許文献２０）上の、又は一列に隣接するダイマー（非特許文献２１）上の二本のＤＢという極端な場合が、本発明のデバイスからは明確に除外される。異なる半導体表面を用いて、ＤＢの角度及び表面原子の間隔を変更することができることは理解されたい。（１００）表面に加えて、本願において動作可能な他の表面には、例えば、（１１０）、（１１１）、（０１０）、（３１１）、ミスカット表面、それらの表面の全ての再構成が含まれる。ＤＢは、エッジ表面上に、異種物質の界面、特に格子不整合を有するものに、バルクの秩序及びアモルファス物質内にも容易に形成されることは理解されたい。隣接するＤＢ間の横方向の間隔が２から２００オングストロームの間だと、ＱＣＡデバイス又は量子ビットのエンタングルメントに適した程度の量子力学的結合が提供される。厳密な距離は、物質に依存し、物質の静電ポテンシャルの関数である。図２ａ及び２ｂは、孤立した負ＤＢ（ラベルＤＢ２）が、十分に近い相手（ＤＢ３）が提供された際に結合配置を取る実例を示すＳＴＭ像である。図２ｂの新たなＤＢは、選択的な単一Ｈ原子の除去によって形成されている。一旦、対になると、図２ａ及び２ｂに共通のＤＢは、非結合ＤＢのＳＴＭ画像のハロー特性を最早有さない。ＤＢは両方とも結合ＤＢの明るい見た目を示し、結合対は、図２ｂのＳＴＭ像の暗いハローによって取り囲まれている。
【００２４】
図２ｃ及び２ｄは、一本のＤＢ（ラベルＤ６）にＨ原子を結合させることによって、ＤＢの対の一方を消去することを介して結合の消去の効果の実例を示すＳＴＭ像である。ＤＢ状態は、一旦Ｈ被覆エンティティに変換されると、余分の電子を保持する性能を失い、残りのＤＢが、効果的に孤立して負に帯電する（ＤＢ５）。
【００２５】
二本の十分に近いＤＢは量子力学的に結合している。空間を介する（ｔｈｒｏｕｇｈ‐ｓｐａｃｅ）共有結合は、略４オングストロームのＤＢ間隔を超えると無視できるので、格子が、ＤＢ波動関数の量子力学的結合を仲介する。
【００２６】
また、３．４から２０オングストロームの間で離隔されたＤＢを有する系における電子の閉じ込め及び電子の量子力学的相互作用に基づいた本発明のデバイスは、コンピュータによるモデル化によっても理解することができる。
【００２７】
密度汎関数理論（ＤＦＴ，ｄｅｎｓｉｔｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｔｈｅｏｒｙ）モデル化を、３‐２１Ｇ基底セットでＧａｕｓｓｉａｎ‐０３（非特許文献３４）パッケージで行われるようなＢ３ＬＹＰ（非特許文献３２、非特許文献３３）汎関数を用いて、本発明の系に対して行う。計算に用いたモデルは、２×１表面再構成の３９６個のシリコン原子のピラミッド状クラスタで構成され、三列の七つのダイマーを有する。クラスタは二つのリンドーパント原子を含んでいた。二つのリン原子は、表面のダングリングボンド（ＤＢ）の二本を帯電させるのに必要な二つの過剰電子を提供する。一本のＤＢが、固定された位置の第二のＤＢに向けてダイマーの列の一側に沿って段になっている。第三のＤＢ（クラスタの２×１面の一つのコーナー近くに位置する）は、間隔の近いＤＢ対のクーロン反発力が大きくなるとその間隔の近いＤＢ対から排除される電子に対する電子アクセプタサイトとして機能する。
【００２８】
小クラスタに対するＢ３ＬＹＰ計算を用いて、帯電ＤＢの一電子状態の描像を提供する。ＤＢ状態に対する物理的範囲は、Ｈ‐Ｓｉ（１００）‐２×１表面の列構造によって明確に区切られている。ＤＢ結合を調べるため、調和振動子ポテンシャルを用いる（非特許文献３５）。また、ＤＢは、Ｓｉ中の原子不純物に対してもモデル化される（非特許文献３７）。しかしながら、大きな有効半径を有するバルク誘電体中のドナー原子とは異なり、ＤＢは局在化した表面状態である。そのように、ＤＢ電子は、Ｓｉ媒体中のより大きな空間的幅の表面よりも上の真空状態に部分的に局在している。
【００２９】
有効二次元調和振動子を用いて、自由電子の質量ｍｅに等しい電子の有効質量で、ＤＢ中の電子の閉じ込めを記述する。シリコン表面の幾何学的形状に基づき、孤立ＤＢの有効二次元ポテンシャルは、電子がＤＢ軌道から半導体のバルクの伝導バンド（ＣＢ，ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ）に逃れるようにしなければならない。従って、調和ウェル領域の外側ｒ＜Ｒｈでは、ポテンシャル曲線は、バルクの伝導バンド最小値に対して横這いになる。この単純なモデルでは、孤立ＤＢの波動関数は、単純なガウス型関数の形状、及び、
【数１】
の基底状態エネルギーを有する。パラメータωは、ＤＢ波動関数の空間的広がりが略３．８オングストロームのＤＦＴモデル化から得られたものを反映するように設定される。ウェルの深さは、ＤＢ中の余分の電子の結合エネルギーの補正値を再現するようにフィッティングされる。隣接するＤＢ間のそれらの間隔によって与えられる電子の量子力学的相互作用は、十分に小さいものであり、クーロン反発力が二つのＤＢの完全な占有を防止する。量子力学的相互作用は、系の基底状態エネルギーのエネルギー分裂を生じさせる（非特許文献３６）。
【００３０】
図３は二次元調和振動子モデルを示し、二本の孤立ＤＢの振る舞いの定性的記述を提供する。図３のポテンシャルウェルは、ＣＢエネルギーにおいて漸近的に横這いになっている。図３ａは二つのポテンシャルウェルを示し、非結合となるように十分に横方向に離隔されている。各ウェルを横切る水平線は、それぞれ二個の電子を有することができる束縛ＤＢ準位を表す。図３ｂは、略２０オングストローム未満で横方向に離隔された２本のＤＢを表す。非結合ＤＢに対して二つの重要な変化が示されている。クーロン反発力の結果として、ＤＢ毎に２個の電子を備えた占有状態が不安定化されている（エネルギーが上方にシフトされている）。二つのＤＢ状態は、一個の電子がＤＢのうち一本から排除されるとより安定であることを示す。排除された電子がバルクのエネルギー準位内に入っている。結合ＤＢに関係する部分的に空の準位は、一個以上の電子を収容できるように見えるが、占有の作用で、その準位はＣＢの上に押し上げられて、その配置を不安定にする。これは、オンサイト（反発性）ペアリングエネルギー（“ハバードＵ”項としてモデル化される（非特許文献３８））、及び、二個の電子がそのように局在した際のクーロン反発力のより実質的な増大の結果である。また、電子のエネルギー準位に対する量子力学的相互作用の効果は、トンネル分裂エネルギーｔを介しても含まれている。
【００３１】
二つの条件が、結合ＤＢ間の電子の量子力学的相互作用を可能にする。十分に近い場合、ＤＢを離隔する障壁は二本のＤＢ間の実質的な量子力学的交換を許容するのに十分に狭い。しかし、重要なことに、対になったＤＢからの一つの電子の排除が、部分的に空の状態を提供して、トンネル電子の行き先が提供される。特定の理論に縛られるものではないが、結合ＤＢの比較的明るい見た目は、２個の余分の電子のうち一つの排除に基づくものであり、上向きのバンド曲がりを低減させて、ＳＴＭ探針からＣＢへの比較的容易な電子の放出及びより明るい見た目を可能にする。ここで、“余分”とは、中性に必要にされるのよりも多い電子の数を称する。例えば、２本のＤＢにおける４個の電子は、−２又は２の“余分”の電子の電荷に対応する。結合ＤＢにおける電荷が減じられて、中性ＤＢのもの（図１ａ）と同様の見た目が得られるが、余分の電子に起因する対の周り暗いハローが、結合ＤＢを中性ＤＢから区別している。
【００３２】
ＤＢの間隔の減少と共にＤＢ対の明るさが増大することは、帯電状態−２と−１との間のクロスオーバーの発現である。局所的なバンド曲がりが減少するので、注入されるＳＴＭ電流は増大する。結合ＤＢの平均の電子占有は、ＤＢの離隔距離によって制御することができる。一個の電子に対して略２３オングストローム離隔されたＤＢが、１０オングストロームよりも近くなり、これが、間隔の減少と共にＤＢ対の明るい見た目の増大を説明し、図１ｄに見て取れ、１個の電子（黒い実線）及び２個の電子（ハッチング線）に対する図１の挿入図にグラフで示されているとおりである。
【００３３】
孤立ＤＢに対して使用される閉じ込めポテンシャルは、電子が、ＤＢ軌道からバルクの伝導バンド内に逃れることを可能にして、調和ウェル領域の外側ｒ＜Ｒｈでは、ポテンシャル曲線は、バルクの伝導バンド最小値（ＣＢＭ，ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｂａｎｄ ｍｉｎｉｍｕｍ）に対して横這いとなり、ｒ→∞では閉じ込めポテンシャルに対してゼロの値をとる。
【００３４】
従って、例示的なモデルとして、有限／打ち切られた閉じ込めポテンシャルは以下のように選択され、
【数２】
ここで、ωはウェル内の電子の古典的振動数であり、Ｖ０はポテンシャル深さ（ＣＢＭから測定）であり、ｆｔｒは打ち切り関数であり、調和ポテンシャルの有限範囲を保証する。以下の単純な形式が選択され、
【数３】
ここで、パラメータＲｂ及びｗはそれぞれ、打ち切り領域の位置及び幅を決定する。
【００３５】
この単純化されたモデルでは、孤立ＤＢの波動関数は、単純なガウス型関数
【数４】
の形状と、基底状態エネルギー
【数５】
（ポテンシャルの底に対して）とを有し、ここで、
【数６】
であり、Ａは規格化定数である。パラメータωは、単純なガウス型ＤＢ波動関数の空間的広がりが略３．８オングストロームの密度汎関数理論（ＤＦＴ）調和振動子モデル化から得られるものを反映するように設定される。そして、調和振動子（ＨＯ，ｈａｒｍｏｎｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）ウェル内の電子の結合エネルギーは
【数７】
であり、ここで、ＥＣＢは伝導バンドエネルギーであり、Ｅ０は基底状態エネルギーである。ウェル深さは、上述のＤＦＴ法によって計算されるようなＨＯの結合エネルギーを再現するようにフィッティングされる。
【００３６】
量子力学的に結合したＤＢ対を記述するための二重ウェルポテンシャルは、以下のように二本のＤＢの単一のウェルポテンシャルを組み合わせることによって単純に構築され、
【数８】
Ｖ１２（ｒ）の効果は、ＤＢが点ｒにより近いかどうかに依存して、ＶＤＢ１又はＶＤＢ２のいずれかに略等しくなる。
【００３７】
二重ウェルの系に対して、量子力学的トンネル係数は、ＷＫＢ近似（非特許文献３６）内において
【数９】
であり、ここで、±αは、ポテンシャル障壁の古典的転換点である。従って、トンネル分裂相互作用は次のように計算される。
【数１０】
【００３８】
デバイスは、Ｈ‐Ｓｉ（１００）表面上にｎ本のＤＢを備え、ここでｎは２と∞との間の整数である。電子数ｉでのこのデバイスの帯電確率を計算するため、ＤＢ系が温度Ｔ及び化学ポテンシャルＥＦ（つまりグランドカノニカルアンサンブル）でリザーバ（バルク結晶）に接触している効果を求める。ＤＢセル内の所定の数の余分の電子での帯電状態の出現確率を計算する。
【００３９】
ＤＢデバイスが整数の余分の電子及び明確な分極を有するようにするため、本発明のデバイスは、ＱＣＡデバイスで必要とされるように量子力学的トンネルエネルギーがクーロンエネルギーよりもはるかに小さいｔ＜＜Ｖｅｌ形式（非特許文献８）において動作する。統計変動に起因する室温での帯電エネルギーへの量子力学的トンネリングの寄与を無視するのｄえ、全ての帯電状態が有限の発現確率を有する。古典統計とすると、各帯電状態は、統計的重み（各帯電状態に対するボルツマン因子に等しい）によって特徴付けられる。従って、一個の電子の帯電に対して、重みは、
【数１１】
であり、ここで、
【数１２】
は、一個の余分の電子を備えたｎ‐ＤＢセルの全エネルギーであり、ｋはボルツマン定数であり、Ｔは温度であり、ｇｉｅは帯電状態ｉの縮退である。外部摂動が存在しないとすると、
【数１３】
であり、ここで、全てのエネルギーはＣＢ準位から測定されている。同様に、二個の電子の帯電の重みは、
【数１４】
であり、
【数１５】
となり、
【数１６】
はセルの全静電エネルギーである。後者の相互作用は、点電荷相互作用として単純に計算され、
【数１７】
ここで、ｅは電気素量であり、ｄはＤＢの間隔であり、
【数１８】
は表面の有効誘電率である。
【００４０】
同様に、帯電状態ｉの重みは、
【数１９】
である。
【００４１】
デバイスの全帯電エネルギーの計算においては、量子力学的トンネルエネルギーは無視されて、所定の帯電状態に対する最低の配置エネルギーのみを考慮する。例えば、二重に帯電した４‐ＤＢデバイスに対して対角の占有のみを考慮して、隣接するＤＢ上に電子を備えた配置を許容しない。
【００４２】
ｎ‐ＤＢセルの分配関数は
【数２０】
となり、各帯電状態ｉの確率は、ｉ＝１，ｎに対して
【数２１】
である。例えば、“明確に”二重占有の４‐ＤＢセルを有するためには、条件
【数２２】
を満たす必要がある。
【００４３】
図１の下方の挿入図には、孤立２‐ＤＢデバイスに対する帯電確率が、ＤＢの間隔の関数として示されている。二重占有ＤＢに対する結合エネルギーＥｂの値を０．３２ｅＶとしている。図１の下方の挿入図に示されるように、ＤＢの表面被覆率は小さくて、バンド曲がりは、ＤＢセルの近傍以外では、表面において無視できる。帯電状態０の確立ｐ０ｅは、ｐ１ｅよりも四桁小さいと計算されるので、ここでの計算では無視される。ＤＢを比較するため、水素終端高ドープｎ型Ｓｉ（１００）に対するＳＴＭ像を多様な離隔距離に対して撮り、図１ｄにおいて、（Ｉ）２．３２ｎｍ、（ＩＩ）１．５６ｎｍ、（ＩＩＩ）１．１５ｎｍで現れている。図１ｃと１ｄとの間のＤＢ間隔の関数としての帯電状態の確率のプロットの挿入図は、図１ｄのＤＢ対Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩに対する離隔距離を示す。ハッチングされた曲線は、二個の電子の帯電状態の確率を表す。２本の帯電ＤＢ間の相互作用に対する有効誘電率は略
【数２３】
である。これは、古典的に導出される６．５との値よりも小さい（非特許文献２７）。特定の理論に縛られるものではないが、バルクと比較して低いＤＢの
【数２４】
の値は、ＤＢ軌道が真空中に部分的に局在していて、周囲のＳｉ表面原子に対して押し上げられている結果であると考えられる。また、この
【数２５】
の値は、帯電状態−１と−２との間のクロスオーバーの位置を、図１のような減少した距離におけるＤＢ対のＳＴＭ像にフィッティングすることによってもおおまかに裏付けられる。
【００４４】
ＤＢの帯電確率を考慮して、二本の量子力学的に結合したＤＢ間の量子力学的トンネリングレートは、そのトンネリングの試みの振動数ω／２π、トンネル係数Ｄ、及び、第一のＤＢが占有されている際に占有されていない第二のＤＢを有する確率
【数２６】
の積として以下のように与えられる
【数２７】
ここで、ｐ１ｅは、２‐ＤＢセルが１個の余分の電子を有する確率である。図１の挿入図の黒い曲線は、ＤＢ間隔の関数として単一の電子帯電状態の確率を与える。
【００４５】
量子力学的トンネリングレートの割合は、多様なデバイスファクタによって制御される。これらのファクタには、例えば、ＤＢ間隔（ＤＢ間隔が減少するにつれて量子力学的トンネリングレートが増大する）、障壁高さ、帯電状態確率が挙げられる。後者のファクタは、ドーピングレベル、半導体を変更することによって、及び／又は、局所的静電ポテンシャルを変化させる電極を使用することによって、変更される。
【００４６】
図４ａは３本の結合ＤＢを示す。異なる時間平均電子占有の結果として、ＤＢ間で明るさが変化している。例えば、ＤＢ２は、最も顕著な見た目を有しているので、最も低度に負である。図４ｂでは、第四の結合ＤＢ（ラベルＤＢ４）が、単一のＨ原子のＳＴＭ探針誘起の除去によって生成されたものとして示されている。図４の概略図は、四本のＤＢ構造が、規則的な矩形のＳｉ（１００）配置から離れて、直線状になっている様子を示す。
【００４７】
四本のＤＢのグループのうち最も広く離隔されたＤＢ（ラベルＤＢ２及びＤＢ４）は、最も暗い見た目になっている。局在した負の電荷による上向きのバンド曲がり及び局所的なＳＴＭ画像の暗さを考慮すると（非特許文献２２）、この構造における余分の電子は、最も遠いＤＢに主に位置していることが明らかであり、最大の電荷の離隔が最低のエネルギー配置に対応するという予測と矛盾しない。
【００４８】
少なくとも一つの空状態が、ＤＢ間の量子力学的相互作用には必要とされて、結合ＤＢの比較的明るい見た目につながるので、少なくとも一個の電子が排除されていることは明らかであり、また、グループを取り囲む暗いハローが存在しているので、いくつかの余分の電子がこのグループにおいて局在したままであることは明らかである。ＤＢセルの厳密な帯電状態は、サンプルのフェルミ準位ＥＦ（温度及びドーパント濃度に依存する）に依存し、また、固定されたＥＦに対しては、デバイスのＤＢ間の距離に依存する。計算によって、この決定を洗練することができて、クーロン反発力は、３個の電子が図４に示される構造に束縛されるには大き過ぎることがわかり、２個の余分の電子の占有をサポートしている。
【００４９】
図５は４本の結合ＤＢを示す。４本の結合ＤＢは、横方向の２回対称構造を有し、Ｌｅｎｔ及び共同研究者によって１９９３年に提案されたＱＣＡスキームを連想させる（非特許文献１８）。このようなデバイスは、量子力学的に結合した量子ドット及び２個の電子の正味の占有を必要として、図５の概略図に示されるように、論理レベル“０”及び“１”としてマッピング可能である二つの縮退した正反対の基底状態電子配置をもたらす。現在のところ、静電的な実施は、ミリケルビン範囲内の温度を必要として、漂遊電荷による制御不能な効果に悩まされていた（非特許文献２０）。図５に示される構造はＱＣＡとして動作可能であり、固有の２回電子縮退が、その状態をバイナリ状態にマッピングする。
【００５０】
選択的な電子の対称性の縮退の破壊に関して、ＱＣＡとしての４本の結合ＤＢのグループの動作プロセスを説明するため、より単純な２本の結合ＤＢのグループを参照して、点静電摂動の効果を理解する。
【００５１】
図６ａは結合ＤＢの対を示す。ＤＢ２は、ＤＢ１よりも僅かに見た目が明るい。図６ｂにおいて、追加の摂動ＤＢ（ラベルＤＢ３）の結果としての新たな効果が調べられている。摂動ＤＢ（ＤＢ３）は、最近接のＤＢから大きく離れすぎていて、他のＤＢと顕著には量子力学的に結合しない。ＤＢ３の非結合特性は、２個の電子の局在化による暗い見た目によって明らかになる。摂動ＤＢ３は量子力学的関係を介しては顕著に相互作用しないが、図６ｃに示されるラインプロファイルにおいて明らかな反発性のクーロン効果を働かせて、静電摂動がＤＢ２をＤＢ１よりも顕著に明るくしている。
【００５２】
この静電結合効果は、ＱＣＡデバイスにおいて必要とされるゲートのタイプの一例である（非特許文献２０、非特許文献２１）。他方に対する一方の占有の優性をもたらす対称性の破壊によるＤＢ３は、ＤＢ１‐ＤＢ２結合対における縮退を破壊するように選択的に動作する。注目すべき点は、結合ＤＢが、２ドットエンティティにおいてゼロ個ではなくて１個又は二個の電子を自然に有することによる“自己バイアス”効果を示すことによって、占有を調整する“フィリング（充填）”電極が必要でなくなる点である。図３ｂは、結合ＤＢ対効果におけるこの自然な一個の電子の存在を示す。図３ｃは、近接する摂動ＤＢの影響による量子力学的に結合したＤＢの対の一つの好ましい占有を示す。フィリングの制御を、従来の容量結合法、例えば電極を使用して行うことができる点は留意されたい。
【００５３】
結合ＤＢ対のこの単一電子の自然な充填を、結合ＤＢ対のより大きなグループに拡張する。このような結合ＤＢ対は、多様な配置で形成可能であり、例えば、線形、階段状の線形パターン、矩形、直線状、平行四辺形、セルラーニューラルネットワークを形成する他の多角形が含まれる。
【００５４】
図７は、４本の結合ＤＢ及び２本の対角に配置された摂動ＤＢを示す。概略図は６本全てのＤＢの位置を示す。電子占有を不安定にする負のゲート効果に矛盾せず、摂動ＤＢに最近接のグループ内の二本のＤＢがより明るく見えて、より低度に負の電荷が局在していることを示している。この静電的に設定された正反対の状態の観測が、図７ｂでは強調されている。
【００５５】
上述のような図７のグループに関する計算は、−３の正味の電荷が禁制クーロン反発力を伴うことを示す。−１及び−２の両方の電荷は、図７で観測される正反対のパターンと矛盾しない一方で、計算は、図７に示される特定のＤＢ間隔において４本のＤＢに対して、−２の電荷状態が好ましいものであることを示している。図７は、対称性の制御された静電破壊を示し、ＱＣＡセルの原子スケールの実施形態及び最も単純な機能例を表す。電極として作用するＳＴＭ探針での結合ＤＢの動作を超えた、量子ドットデバイス用の電極構造の構築は当該分野において知られている（非特許文献３８、非特許文献３９）。本願において、電極構造は、ＤＢを選択的に配置及び帯電させる性能を介して、室温動作可能ＱＣＡを形成することができる。ＱＣＡベースコンピューテーションの室温以上での実施は、理論化されていはいたが、本願発明までは実施困難なものであるとされていた。
【００５６】
４本の結合ＤＢのセルのグループを用いて、ＱＣＡコンピュータの素子を構築することができることは理解されたい。ＤＢアセンブリの異なるグループは、データ保存を可能にする。このような設計は、一つ以上のＱＣＡ及び／又は量子ビットの組み合わせを介して達成可能である。本発明は、余分の電子に関連する量子エンタングルメントがＤＢ間の量子力学的結合を帯電させ、そして、論理入力が電源としても機能することを示す。従来のデジタルマイクロエレクトロニクスデバイスとは異なり、本発明のデバイスが、単一の電極でも動作可能であることは理解されたい。ＱＣＡのノード間の状態情報の伝達の管理、及び、ＶＬＳＩ設計へのＱＣＡの集積は、当該分野において知られている（非特許文献４０）。
【００５７】
顕著な自由度が、電子占有及びデバイス動作に対する制御には存在している。わずかに更に広い間隔の構成は、クーロン反発力を低減して、より大きな正味の電荷を可能にし、それを自動的にもたらす。同様に、より近い間隔の構造は、電荷レベルの減少を自然と示す。ＱＣＡフレームワークによって必要とされるような−２のセル電荷を達成するこの“自己バイアス”は、多重及び単一のセル特有の“フィリング”電極を必要としないので、最も望ましいものである。グループから略２０オングストロームを超えた固定電荷は、ＳｉのＤＢベースＱＣＡセルの論理状態及びフィリングレベルに対して顕著な摂動ではないと計算されて、比較的離れた意図しない電荷に対するいくつかの量子ドットの鋭い感度と対照的である（非特許文献４１）。本発明の原子論的量子ドットのロバスト性は、ナノ結晶量子ドットと比較して大きな束縛状態のエネルギー準位間隔に起因するものであり、また、従来技術のデバイスが極低温条件を必要とするのと異なり、ＤＢが室温で動作可能なデバイスを形成することの結果である。
【００５８】
本明細書で言及した特定の文献は、本発明に関連する分野の当業者のレベルを示すものである。これらの文献は、各文献が本願に参照として明確且つ個別的に組み込まれていた場合と同程度に、参照として本願に組み込まれているものとする。
【００５９】
以上の説明は、本発明の特定の実施形態を例示するものであり、本発明の実施をそれらに制限するものではない。添付の特許請求の範囲及びその全ての等価物が、本発明の範囲を定めるものである。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質の複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドと、
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの電子状態を選択的に変更するための少なくとも一つの電極と、を備えた量子デバイスであって、
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドのそれぞれが、前記物質の少なくとも一つの原子の他の前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドからの間隔を有する、デバイス。
【請求項２】
前記物質がシリコンであり、前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドのそれぞれが、シリコン‐シリコンの結合を有するシリコン原子から延伸している、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドが、前記物質の表面から延伸している、請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記間隔が２オングストロームから２００オングストロームの間である、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記間隔が３オングストロームから４０オングストロームの間である、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの数が、２、３、４、５又は６本である、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドに近接して配置されて、前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの電子状態に摂動を与える静電種を更に備えた請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドが、直線状の四本の結合ダングリングボンドエンティティを形成する四本のダングリングボンドであり、少なくとも一本の静電摂動ダングリングボンドを更に備えた請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記少なくとも一本の静電摂動ダングリングボンドが、前記直線状の四本の結合ダングリングボンドエンティティに対して対角に配置された二本の静電ダングリングボンドである、請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記物質が、表面から少なくとも１オングストローム延在している静電ポテンシャルを含む局在電荷をサポートする、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドのそれぞれが、該複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドのそれぞれが前記物質の伝導バンドからエネルギー的に非結合とされるように、前記物質に対するバルクの半導体の価電子バンドエッジよりも大きくて且つ伝導バンドエッジの底よりも低いダングリングボンドエネルギーを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンド内に少なくとも一個の追加の電子を、該少なくとも一個の追加の電子のそれぞれに対して少なくとも一本の非占有ダングリングボンドが存在し且つ前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの電子状態が少なくとも２９３ケルビンまで安定である条件で更に備えた請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの数が２本であり、該２本のダングリングボンド間のトンネリングレート（ｋｔｕｎ）が
【数１】
を満たし、ω／２πがトンネリングの周波数であり、Ｄがトンネル係数であり、ｐ１ｅが、前記２本のダングリングボンド内に１個の余分の電子を有する確率である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１４】
複数の量子デバイスと、該複数の量子デバイス間の相互接続とを備えた量子セルオートマトンであって、前記複数の量子デバイスが請求項１から１３のいずれか一項に記載のデバイスに従って形成されている、量子セルオートマトン。
【請求項１５】
少なくとも２９３ケルビンの温度において計算を行う請求項１から１４のいずれか一項に記載の量子セルオートマトン。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の量子デバイスと、少なくとも２９３ケルビンの温度において測定可能な０及び１のデジタル論理レベルの間の中間の値の重ね合わせの無限の組を提供する量子コンピューテーション用の量子回路を形成する少なくとも二つの電極と、を備えた量子ビット。
【請求項１７】
添付図面を参照して本願明細書で説明された量子デバイス。
【請求項１】
物質の複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドと、
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの電子状態を選択的に変更するための少なくとも一つの電極と、を備えた量子デバイスであって、
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドのそれぞれが、前記物質の少なくとも一つの原子の他の前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドからの間隔を有する、デバイス。
【請求項２】
前記物質がシリコンであり、前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドのそれぞれが、シリコン‐シリコンの結合を有するシリコン原子から延伸している、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドが、前記物質の表面から延伸している、請求項１又は２に記載のデバイス。
【請求項４】
前記間隔が２オングストロームから２００オングストロームの間である、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記間隔が３オングストロームから４０オングストロームの間である、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項６】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの数が、２、３、４、５又は６本である、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドに近接して配置されて、前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの電子状態に摂動を与える静電種を更に備えた請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドが、直線状の四本の結合ダングリングボンドエンティティを形成する四本のダングリングボンドであり、少なくとも一本の静電摂動ダングリングボンドを更に備えた請求項１から７のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記少なくとも一本の静電摂動ダングリングボンドが、前記直線状の四本の結合ダングリングボンドエンティティに対して対角に配置された二本の静電ダングリングボンドである、請求項１から８のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記物質が、表面から少なくとも１オングストローム延在している静電ポテンシャルを含む局在電荷をサポートする、請求項１から９のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドのそれぞれが、該複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドのそれぞれが前記物質の伝導バンドからエネルギー的に非結合とされるように、前記物質に対するバルクの半導体の価電子バンドエッジよりも大きくて且つ伝導バンドエッジの底よりも低いダングリングボンドエネルギーを有する、請求項１から１０のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンド内に少なくとも一個の追加の電子を、該少なくとも一個の追加の電子のそれぞれに対して少なくとも一本の非占有ダングリングボンドが存在し且つ前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの電子状態が少なくとも２９３ケルビンまで安定である条件で更に備えた請求項１から１１のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記複数の制御可能に量子力学的に結合したダングリングボンドの数が２本であり、該２本のダングリングボンド間のトンネリングレート（ｋｔｕｎ）が
【数１】
を満たし、ω／２πがトンネリングの周波数であり、Ｄがトンネル係数であり、ｐ１ｅが、前記２本のダングリングボンド内に１個の余分の電子を有する確率である、請求項１から１２のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１４】
複数の量子デバイスと、該複数の量子デバイス間の相互接続とを備えた量子セルオートマトンであって、前記複数の量子デバイスが請求項１から１３のいずれか一項に記載のデバイスに従って形成されている、量子セルオートマトン。
【請求項１５】
少なくとも２９３ケルビンの温度において計算を行う請求項１から１４のいずれか一項に記載の量子セルオートマトン。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか一項に記載の量子デバイスと、少なくとも２９３ケルビンの温度において測定可能な０及び１のデジタル論理レベルの間の中間の値の重ね合わせの無限の組を提供する量子コンピューテーション用の量子回路を形成する少なくとも二つの電極と、を備えた量子ビット。
【請求項１７】
添付図面を参照して本願明細書で説明された量子デバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図７】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１１−５２５０５０（Ｐ２０１１−５２５０５０Ａ）
【公表日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５１４１４７（Ｐ２０１１−５１４１４７）
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／００６４００
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１５３６６９
【国際公開日】平成２１年１２月２３日（２００９．１２．２３）
【出願人】（５０６１７５７９２）ナショナル リサーチ カウンシル オブ カナダ (9)
【出願人】（５０７３８８９６０）ザ・ガバナーズ・オブ・ザ・ユニバーシティー・オブ・アルバータ (9)
【公表日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２００９／００６４００
【国際公開番号】ＷＯ２００９／１５３６６９
【国際公開日】平成２１年１２月２３日（２００９．１２．２３）
【出願人】（５０６１７５７９２）ナショナル リサーチ カウンシル オブ カナダ (9)
【出願人】（５０７３８８９６０）ザ・ガバナーズ・オブ・ザ・ユニバーシティー・オブ・アルバータ (9)
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