基于半导体量子点的电荷量子比特和量子输运

摘要

半导体异质结门控量子点，在目前试图实现量子计算的各种方案中，是一个有力的竞争者。同时也是研究量子输运过程一个优秀平台。本文针对这两个方面，在极低温环境下展开了一些工作:1研究了半导体平行串联双量子点（单比特）上的光子辅助隧穿过程;在此基础上，进一步研究了电容耦合四量子点（两比特）的比特间耦合强度，为进一步完成受控非门量子操作打下了基础。2在电容耦合四量子点上，探索了近藤效应这一量子输运过程。
　　本文主要包括以下内容:
　　1介绍了关于半导体量子点上实现量子计算的基本概念以及原理。
　　2介绍了从晶圆开始，完成半导体量子点样品的整个微纳加工工艺流程，包括一些技巧和经验。以及搭建一个实验所需要的极低温平台。
　　3从一个串联双量子点上的光子辅助隧穿实验出发，介绍了基本的测量方法和原理。最高我们观察到了14阶光子的过程，并从干涉图样证明了这是一个Landau-Zener-Stükerlberg(LZS)过程。
　　4介绍了半导体门控量子点上实现量子受控门的基本原理。我们设计了量两比特的实现结构，将双量子点扩展到电容耦合四量子点。我们实现了其中非常重要的参数，两组量子点之间的电容偶和强度J的测量。数值在20GHz左右。结合之前测得的双量子点间的隧穿耦合强度来看，完全有希望在这个系统上实现一个受控非门操作。
　　5介绍了半导体门控量子点上近藤效应的一些主要进展，包括单量子点上的单磁性杂质近藤效应和双量子点上的双磁性杂质近藤效应。我们进一步研究了四量子点上的近藤效应。通过一组双量子点来调制另一组双量子点，我们发现了一种新的近藤效应电导图样。
　　本文的主要创新点有:
　　1在较高的电子温度(3-4K)下，观察到了阶数非常高(14阶)的光子辅助隧穿过程。并进一步证明了LZS干涉过程的存在。这为在双量子点上完成一个单比特操作提供了一个重要保证。
　　2在半导体门控量子点体系上，两比特实验研究的数目非常少。文中详细描述了一个电容耦合四量子点结构，并测量出了这个系统哈密尔顿量中的最重要参数。这为在四量子点上完成一个两比特操作提供了一个重要保证。
　　3在半导体门控四量子点体系上，从未有过关于近藤过程的实验研究。本文首次对一组双量子点受到另一组双量子点耦合调制情况下的近藤效应进行了研究，发现了一些从未报道过的全新现象。