半导体双量子点系统中的量子输运研究

摘要

量子点是一个三维受限体系，被认为是实现固态量子计算的重要候选者之一。本论文针对GaAs/AIGaAs半导体双量子点系统在极低温环境下的量子输运性质展开实验和理论上的研究。本文主要探讨了两个方面的问题：一是针对并联双量子点系统，通过改变门电压研究双量子点间的耦合强度变化；二是在串联双量子点系统中，从理论和实验两方面入手，探索通过施加电脉冲的方式，利用拉比振荡和LZS干涉效应操控电荷量子比特。
　　 具体的，本论文有以下主要内容：
　　 1．通过引入二维电子气概念，描述了量子点形成的基本原理，随后介绍了用于分析量子点系统的常相互作用模型，同时对量子点系统中常用的基本概念和现象做了简单介绍，如：电化学势，充电能，库伦菱形，共隧穿等。
　　 2．以串联双量子点为例介绍了耦合双量子点系统的充电蜂窝图，推导了双量子点系统耦合强度，充电能等计算方法。
　　 3．介绍了半导体量子点在制备过程中用到的一些微纳加工仪器设备以及加工流程，包括光刻，电子束刻蚀，电子束蒸发镀膜等等，接着还介绍了在室温和液氦温度下对样品进行粗测筛选的过程和方法。
　　 4．我们实验上测量了横向并联双量子点的电子态。给出了双量子点系统的充电蜂窝图。通过调节两量子点之间的门电极电压，我们实现了双量子点从几乎完全独立到耦合成一个大量子点的转变，该过程连续可控。
　　 5．在脉冲驱动下的双量子点系统中，我们通过数值模拟提出了优化电荷量子比特工作参数的方法。结果表明，在操控和测量过程中，脉冲驱动下的电荷量子比特跃迁到其他非目标态的几率，可以通过选择脉冲形状等工作参数得到很好的控制。
　　 6．我们探讨了二能级量子体系动力学演化过程随时间和能级失谐量的关系。研究了两种不同条件下的演化过程，看到了拉比振荡和LZS相干效应。特别地，在脉冲驱动下，我们通过充电蜂窝图、改变脉冲宽度和脉冲振幅观察研究了LZS相干条纹的演化。
　　 本文的创新点主要有：
　　 1．只有很少的电子输运实验在并联的双量子点系统中实现。这里，我们通过输运实验探讨了并联耦合双量子点系统的电子态。从系统的充电图，我们观察到了两个量子点从几乎完全独立到耦合成一个大量子点的耦合强度连续变化过程。精确地控制耦合量子点系统的电子数也为量子信息处理过程提供了一个重要保证。
　　 2．数值模拟了脉冲控制下的电荷量子比特演化，结果表明在考虑非目标态耗散的情况下，可以通过优化工作参数，如脉冲形状等，使量子比特保持高保真度演化。更重要的是，我们的方法在更复杂的门操作中同样适用，这对于以后量子信息过程的研究提供了一种可能的方法和手段。
　　 3．在脉冲驱动下的串联双量子点电荷量子比特系统中，我们观察到拉比振荡，这样的结果表明半导体量子点中的电荷量子比特能够很好的控制，同时也说明电荷量子比特很有可能在量子计算中得到很好的应用。
　　 4．实现了皮秒量级的超快动力学相位相干演化。在变换脉冲振幅和宽度时，观察到二能级体系电荷量子比特的反能级交叉点和相位的量子相干演化，利用电脉冲操作的方式，结合拉比振荡和LZS相干效应，我们有理由相信在半导体电荷量子比特上能够实现更快的如50ps量级的普适门操作。