双量子点中电子态的操控与测量

摘要

本论文针对半导体双量子点中电子态的测量与操控展开了实验研究。主要侧重于两个方面:测量方面，发展了一套射频反射式测量技术，这套技术在测量带宽与灵敏度方面是传统测量方式所不能达到的;操控方面，研究了半导体双量子点形成的电荷量子比特中的Landau-Zener跃迁过程，并用这一可控的Landau-Zener跃迁过程模拟了非平衡相变中的Kibble-Zurek机制。
　　 本文的主要内容有:
　　 1.简要介绍本论文所涉及的物理概念和现象。
　　 2.简要介绍了后续实验中样品的加工与制备过程的一般工艺流程，及对流程中的每一步骤中所使用仪器的原理，及使用方法，使用技巧等。我们介绍了如何从一块晶圆出发，到最终制备成可以放入低温系统用于测量的样品的整个过程。
　　 3.从实验的角度对测量过程进行了探讨。从极低温平台出发，介绍了样品基本性质的测量方法。进一步的，介绍了后续实验中所用到的测量手段。
　　 4.对射频反射式测量进行了研究。这种测量方式与前一章中介绍的传统测量方式不同，有着带宽和灵敏度上的优势。从射频反射式测量电路出发，研究了这种测量方法的原理，并比较了其与传统测量方法获得数据的对应性。并在砷化镓量子点和石墨烯量子点中，分别进行了射频反射式测量的研究，并且籍由这一测量方式的高带宽，发展出了一套快速测量方法，使得测量速度比之传统测量方法有了数量级上的提升。
　　 5.介绍了半导体双量子点形成的电荷量子比特中的Landau-Zener跃迁。由二能级体系出发，研究了Landau-Zener跃迁的基本物理，与多通道跃迁形成的Landau-Zener-Stückelberg干涉现象。在半导体双量子点形成的电荷量子比特中，研究了Landau-Zener跃迁过程，并研究了多通道跃迁所带来的相位累积，并藉由可控的脉冲，实现电荷量子比特的Bloch球面上任意角度的转动，即电荷量子比特完全的普适操作。
　　 6.利用半导体电荷量子比特，对Kibble-Zurek机制进行了量子模拟。由平衡态相变出发，介绍了非平衡相变的过程，并介绍了Kibble-Zurek机制。 Kibble-Zurek机制描述了非平衡相变中拓扑缺陷的产生。而Landau-Zener跃迁，可以对Kibble-Zurek机制的核心物理进行一个最简单的量子模拟。利用半导体电荷量子比特的可控的Landau-Zener跃迁过程，我们在实验上实现了对Kibble-Zurek机制的模拟，重现了Kibble-Zurek机制中拓扑缺陷的产生与淬火速率的关系。
　　 7.对以上实验工作进行了总结，在强调本论文的工作意义同时，提出了尚待改进之处，并对未来的研究进行了建议。
　　 本论文的主要创新点为:
　　 1.研究了射频反射式测量这一不同于传统测量方式的方法。并且籍由这一测量方式的高带宽，发展出了一套快速测量方法，使得测量速度比之传统测量方法有了数量级上的提升。
　　 2.利用半导体双量子点形成的电荷量子比特中受控的Landau-Zener跃迁，实现电荷量子比特的Bloch球面上任意角度的转动，即电荷量子比特完全的普适操作。
　　 3.利用半导体电荷量子比特，对Kibble-Zurek机制进行了量子模拟。重现了非平衡相变的Kibble-Zurek机制中拓扑缺陷的产生与淬火速率的关系。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究动机

1．2 本论文的结构

1．3 二维电子气系统

1．4 半导体门控型量子点

1．4．1 半导体门控型量子点的制备

1．4．2 量子点中电子的输运过程

1．4．3 门控双量子点系统

1．5 二能级体系

1．6 量子比特

1．6．1 量子比特的基本概念

1．6．2 量子比特的物理实现

1．7 量子计算

1．7．1 量子算法与量子计算机

1．7．2 DiVincenzo判据

1．8 量子模拟

1．9 本章小结

第2章 样品加工与制备

2．1 从晶体管到微纳加工技术

2．2 样品加工与制备的一般工艺流程

2．3 微纳加工中的技巧与设备简介

2．3．1 砷化镓晶圆晶向及刻蚀

2．3．2 紫外光曝光制版成形

2．3．3 一般电极制备

2．3．4 快速退火

2．3．5 电子束曝光制版成型

2．3．6 顶栅电极制作

2．3．7 样品封装

2．3．8 其他需要注意的事项

2．4 本章小结

第3章 样品测量的实现

3．1 低温测量系统

3．2 样品基本性质的测量

3．2．1 二维电子气性质的测量

3．2．2 量子点性质初步测量

3．3 测量的几种方式

3．3．1 量子点输运测量

3．3．2 利用量子点接触的输运性质对量子点进行测量

3．3．3 利用量子点接触对量子点的充电感应进行测量

3．3．4 量子点与超导腔耦合

3．4 本章小结

第4章 射频反射式测量

4．1 射频反射式测量的基本概念

4．1．1 传统测量方式的局限

4．1．2 射频反射式测量与阻抗匹配电路

4．1．3 零拍测量

4．2 射频反射式测量的实现

4．2．1 测量系统

4．2．2 砷化镓量子点中的测量与分析

4．2．3 石墨烯量子点中的测量与分析

4．2．4 快速测量

4．3 本章小结

第5章 二能级体系中的Landau-Zener跃迁

5．1 单通道跃迁：Landau-Zener跃迁

5．2 多通道跃迁：Landau-Zener-Stückelberg干涉

5．3 半导体量子点体系中电荷量子比特的Landau-Zener-Stückelberg干涉

5．3．1 样品结构与电荷量子比特操作原理

5．3．2 电荷量子比特中的Landau-Zener-Stückelberg干涉过程与演化算符

5．3．3 绝热演化中的相位累积

5．3．4 Landau-Zener-Stückelberg干涉过程中的总旋转角度与干涉条纹

5．4 本章小结

第6章 利用半导体电荷量子比特对Kibble-Zurek机制的量子模拟

6．1 平衡态相变：Ginzburg-Landau理论

6．2 非平衡相变：Kibble-Zurek机制

6．3 Landau-Zener跃迁与Kibble-Zurek机制

6．4 电荷量子比特对Kibble-Zurek机制的量子模拟

6．4．1 样品结构与电荷量子比特操作原理

6．4．2 Kibble-Zurek机制与Landau-Zener跃迁的类比

6．4．3 电荷量子比特与Landau-Zener跃迁

6．4．4 Landau-Zener跃迁对Kibble-Zurek机制预言的量子模拟

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 本论文总结

7．2 本论文工作中有待改进之处和对未来工作的展望

参考文献

附录A 高精度偏置电压源

A．1 一般直流电压源的缺点

A．2 高精度偏置电压源的设计

A．2．1 设计需求

A．2．2 具体设计与版本演进

A．3 高精度偏置电压源的使用

A．3．1 外部准备

A．3．2 通讯协议

A．4 高精度偏置电压源的性能

A．5 未来改进

附录B 测量程序系统的设计与实现

B．1 总体设计思想

B．2 基于MATLAB平台

B．2．1 硬件与通讯界面层

B．2．2 数据链路层

B．2．3 应用层

B．2．4 用户层

B．2．5 MATLAB仪器通讯其他需要注意的地方

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果