半導(dǎo)體量子點體系中量子耗散動力學(xué)的理論研究.pdf

1、近二十年來,作為量子物理和計算機(jī)信息科學(xué)的交叉性前沿學(xué)科,量子信息處理是物理學(xué)中一門非?；钴S的學(xué)科,引起了人們極大地關(guān)注。因為具有潛在的大規(guī)模集成的優(yōu)點,基于半導(dǎo)體量子點系統(tǒng)的固態(tài)量子計算成為固態(tài)量子信息處理領(lǐng)域中的一個研究熱點。同時對受限物理系統(tǒng)中量子效應(yīng)的研究,不僅對將來可能的技術(shù)應(yīng)用能夠提供有價值的基礎(chǔ)研究,并且也可以幫助人們更好地驗證量子力學(xué)的基本原理,加深對基礎(chǔ)物理的理解。在本論文中,我們將討論研究半導(dǎo)體量子點系統(tǒng)中的量子耗散

2、動力學(xué)過程。第一章是緒論,其中概述了量子點系統(tǒng)的制備,量子點系統(tǒng)中的量子相干效應(yīng)以及量子耗散現(xiàn)象。第二章,我們介紹了本論文主要運用的理論方法:主方程方法(masterequation)。在有效處理掉與系統(tǒng)耦合的環(huán)境自由度后,系統(tǒng)主方程能夠很好地描述系統(tǒng)的動力學(xué)過程。根據(jù)系統(tǒng)的主方程,我們可以了解許多系統(tǒng)信息,例如,系統(tǒng)態(tài)的概率演化過程,系統(tǒng)的弛豫時間(T1)以及退相干時間(T2)等等。在第三章中,我們討論了在外加磁場的影響下電子通過單個

3、量子點的輸運性質(zhì)。當(dāng)外加電壓使得量子點的庫倫阻塞效應(yīng)被部分破壞時,我們發(fā)現(xiàn)了由于局域態(tài)之間相互作用以及動力學(xué)通道阻塞引起的超泊松電子散粒噪聲。相對于以前的研究,如果量子點的庫倫阻塞效應(yīng)被很大的外加電壓完全破壞時,他們只是得到亞泊松的電子散粒噪聲。我們更一步研究得到,通過外加磁場產(chǎn)生的電子自旋翻轉(zhuǎn)可以壓制所得到的超泊松噪聲。當(dāng)自旋翻轉(zhuǎn)足夠快時,超泊松噪聲將變成亞泊松噪聲。在第四章中,我們推導(dǎo)了兩個不同的主方程:雙量子點占據(jù)態(tài)基矢下的主方程

4、和雙量子點本征態(tài)基矢下的主方程,來研究電子通過雙量子點系統(tǒng)時的電流漲落性質(zhì)。我們推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)以前許多研究工作中所采用的基于雙量子點占據(jù)態(tài)基矢的系統(tǒng)主方程只是適合于雙量子點之間耦合非常弱的情況。更進(jìn)一步,我們在雙量子點的本征態(tài)基矢上,推導(dǎo)出適用于任意強度量子點之間耦合的主方程。我們研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)雙量子點之間的耦合非常大時,利用兩個主方程計算得到的電子通過雙量子點的電流漲落性質(zhì)明顯不同。同時,利用本征態(tài)基矢下的主方程計算得到的電子散粒噪聲與實驗上

5、所觀測到的結(jié)果符合得很好。第五章,我們研究了雙量子點固態(tài)量子比特的耗散動力學(xué)性質(zhì)。以前基于速率方程的理論結(jié)果給出:當(dāng)雙量子點系統(tǒng)退相干達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,無論雙量子點中量子點是否對稱,電子在每個量子點中的概率始終一樣的不正確結(jié)果。我們考慮到推導(dǎo)過程中的高階項后,得到穩(wěn)態(tài)時電子在雙量子點中的占據(jù)概率應(yīng)該取決于雙量子點系統(tǒng)的具體性質(zhì)。我們的研究工作表明,高階的相互作用項在固態(tài)量子比特的操作過程中起著比較重要的作用。第六章我們討論研究了利用雙量子點系

6、統(tǒng)冷卻納米機(jī)械諧振子的模型。研究發(fā)現(xiàn)能夠通過雙量子點與納米機(jī)械諧振子之間電容耦合的反作用來冷卻諧振子。雙量子點是一個典型的二能級系統(tǒng),我們可以通過外加驅(qū)動場使得電子態(tài)在雙量子點的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)變。利用雙量子點冷卻諧振子的優(yōu)點在于,雙量子點之間的能級差以及它的耗散速率都可以通過門電壓來調(diào)節(jié)。我們發(fā)現(xiàn)可以通過調(diào)節(jié)雙量子點激發(fā)態(tài)的耗散速率以及調(diào)節(jié)外界驅(qū)動的頻率使得外場驅(qū)動頻率與雙量子點的本征頻率為紅失諧時,(基于冷卻原子的邊帶冷卻原理