量子点中的自旋量子比特

摘要

半导体量子点中的自旋量子比特所具有的长相干时间以及易于集成的特点使其受到了广泛的关注。本论文致力于GaAs双量子点中自旋量子比特的研究，主要内容包括:
　　1、简要介绍了量子计算的背景和概念。利用常相互作用模型对量子点中的一些基本现象作了解释，包括单量子点中的库伦振荡，库伦阻塞，双量子点中的三相点，偏压三角形等。
　　2、对单电子自旋量子比特作了简单的原理分析。详细介绍了两电子自旋单态三重态量子比特的哈密顿量，以及实验细节，包括观测自旋阻塞的两种方式以及表征系统的方法，最后介绍了两个经典的实验以及我们的实验结果。
　　3、利用双量子点的不对称性在三电子(1，2)-(2，1)电荷跃迁区域观测到了四重态的自旋阻塞。利用这种自旋阻塞我们实现了自旋四重态和两重态之间的Landau-Zener-Stückelberg干涉和交换振荡。最后补充了我们另外两个奇数电子区(1，2)-(0，3)和(1，6)-(0，7)的实验结果。
　　4、在偶数电子区(1，3)-(0，4)区域的交换振荡实验中发现了一种信号放大机制。分析并且实验验证该机制。设计了一种控制放大过程的方法，并利用此方法提取出不同自旋态的隧穿速率。
　　5、对双量子点进行输运研究。在五个连续的电荷跃迁区域观察到了自旋阻塞现象。通过分析数据确定了每个区域的阻塞自旋态。
　　本文的主要创新点有:
　　1、首次在双量子点(1，2)-(2，1)区域观察到了自旋阻塞现象，并利用该现象实现了自旋态的读取，以及演示了相干操作。利用在此区域发展的方法，我们对其他奇数区进行了探索，并得到了类似的结果。我们的结果和实验方法将对未来探索多电子自旋量子比特编码具有启发意义。
　　2、发现了一种新的自旋到电荷转换机制。该机制在用来读取自旋量子比特的状态时产生比传统的基于自旋阻塞的方法更强的信号。在实验中我们实现了两倍的放大。我们阐明了如何用一个简单的方案实现放大倍数的显著提升。
　　3、首次在连续的多个电荷跃迁区域观察到自旋阻塞现象。尤其是奇数电子区自旋阻塞，结合平面双量子点强大的可控性，为研究电子自旋与核自旋相互作用提供了新的有力的工具。

目录

声明

摘要

第1章 量子计算和量子点

1．1 量子计算

1．2 门控量子点

1．2．1 量子点简介

1．2．2 常相互作用模型

1．2．3 单量子点

1．2．4 双量子点

1．3 小结

参考文献

第2章 量子点中的自旋量子比特

2．1 单电子自旋量子比特

2．2 两电子S-T0自旋量子比特

2．2．1 哈密顿量

2．2．2 自旋阻塞

2．2．3 交换振荡

2．2．4 LZS振荡

2．3 小结

参考文献

第3章 奇数电子区白旋阻塞和相干操作

3．1 研究背景

3．2 样品

3．3 能级结构

3．4 四重态自旋阻塞

3．5 LZS干涉

3．6 交换振荡

3．7 小结

3．8 补充材料

参考文献

第4章 双量子点中自旋状态的增强读取

4．1 研究背景

4．2 样品

4．3 结果与讨论

4．4 小结

4．5 补充材料

参考文献

第5章 双量子点中连续电荷跃迁区域的自旋阻塞

5．1 研究背景

5．2 样品

5．3 偶数区

5．4 奇数区

5．5 小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果