什麼是半導體自旋量子位元？
自旋量子位元的實踐方式
量子效應的顯現，可以簡單地分成內稟量子效應、單體量子效應或是統計量子效應：
內稟量子效應：電子或原子自身帶有的自旋、自旋-軌道耦合、光子帶有的偏振等，這些性質不依賴於外部環境。
單體量子效應：個別電子、原子在特定環境限制下顯現量子效應。例如在低溫、局限的位能井下，電子的德布羅伊波長與位能井的特徵尺度相近時，能量的能階化就會很明顯。或是當材料縮小到奈米尺度時（例如量子點、奈米線、冷原子），材料的特性也會出現量子能階。
統計量子效應：大量的電子或原子進入到量子統計的整體狀態，此時各自的物理量已沒有實際意義，必須視為整體來看待。例如超導、超流、玻色-愛因斯坦凝聚、雷射、鐵磁性，亦或是材料的聲子、激子等準激發粒子。
以上的特性都可以作為量子計算的量子位元。半導體自旋量子位元就是用上了自旋效應和侷限效應，利用局限的位能井限制電子，並透過訊號控制電子的自旋來記錄資訊。
▲材料隨的尺度的縮小，量子效應開始顯現、能階化。
Advancements in thermoelectric materials: optimization strategies for enhancing energy conversion
DOI: 10.1039/D4TA03666B
如何實現半導體量子位元？
如前所說，半導體自旋量子位元利用局限的位能井限制電子，使電子產生顯著的量子效應。局限的方式有材料幾何局限與人工閘極局限。 材料幾何局限是利用材料的不均勻性，形成位能變化；而人工閘極局限透過半導體微影製程製作電極圖案，施加電壓產稱位能變化。可以由以下介紹。
| 材料幾何侷限 | 說明 | 閘極輔助侷限？ |
|---|---|---|
| 摻雜雜質點（零維） | 透過矽材料中的摻雜原子，例如磷摻雜，自然形成一個缺陷中心。 | 透過閘極固定摻雜位置。 |
| 量子點（零維） | 材料長晶過程中，自形成球對稱量子點。 | 不需 |
| 奈米線（一維） | 可透過蝕刻或是長晶的方式形成一維奈米線。 | 透過閘極在軸方向侷限 |
| 二維電子氣（二維） | 異質接面中形成的自由電子氣。 | 透過閘極定義局部位能井。 |
▲四種實現量子點位元的方式，分別為雜質摻雜、量子點、奈米線、異質接面中的二維電子氣。
Silicon quantum electronics
DOI:10.1103/RevModPhys.85.961
磷摻雜
▲利用磷摻雜形成的缺陷中心，製作成量子點。
Silicon quantum electronics
DOI:10.1103/RevModPhys.85.961
鍺量子點
▲透過長晶的方式，在矽材料上長出奈米尺度的球形鍺量子點。
YouTube:【2024陽明交大電機專題探索】李佩雯教授介紹
https://www.youtube.com/watch?v=LuXsf-pWFeI&t=7s
▲球形鍺量子點可以調控尺寸，會直接改變鍺的能隙。
YouTube:【2024陽明交大電機專題探索】李佩雯教授介紹
https://www.youtube.com/watch?v=LuXsf-pWFeI&t=7s
▲量子點位元可以組合成雙量子元件（DQD），也可以整合單電子電晶體（SET）。
YouTube:【2024陽明交大電機專題探索】李佩雯教授介紹
https://www.youtube.com/watch?v=LuXsf-pWFeI&t=7s
奈米線
▲在一維奈米線上，加入閘極來形成位能井。
Silicon quantum electronics
DOI:10.1103/RevModPhys.85.961
閘定義量子位元（二維電子氣）
▲當前最主流的自旋量子。利用半導體製程層層堆疊、蝕刻的特性，先製作異質的夾層，例如\(SiGe-Si-SiGe\)，此時中間層會帶有許多可以自由移動的電子，形成二維自由電子氣層。
接著在上方製作出閘極，利用閘極產生的電壓來形成量子點。
Resonantly driven CNOT gate for electron spins
DOI:10.1126/science.aao5965
王培儒