半導(dǎo)體量子點(diǎn)體系中量子耗散動(dòng)力學(xué)的理論研究.pdf

1、近二十年來(lái),作為量子物理和計(jì)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(mén)非常活躍的學(xué)科,引起了人們極大地關(guān)注。因?yàn)榫哂袧撛诘拇笠?guī)模集成的優(yōu)點(diǎn),基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)的固態(tài)量子計(jì)算成為固態(tài)量子信息處理領(lǐng)域中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。同時(shí)對(duì)受限物理系統(tǒng)中量子效應(yīng)的研究,不僅對(duì)將來(lái)可能的技術(shù)應(yīng)用能夠提供有價(jià)值的基礎(chǔ)研究,并且也可以幫助人們更好地驗(yàn)證量子力學(xué)的基本原理,加深對(duì)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(diǎn)系統(tǒng)中的量子耗散

2、動(dòng)力學(xué)過(guò)程。第一章是緒論,其中概述了量子點(diǎn)系統(tǒng)的制備,量子點(diǎn)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(yùn)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(dòng)力學(xué)過(guò)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(guò)程,系統(tǒng)的弛豫時(shí)間(T1)以及退相干時(shí)間(T2)等等。在第三章中,我們討論了在外加磁場(chǎng)的影響下電子通過(guò)單個(gè)

3、量子點(diǎn)的輸運(yùn)性質(zhì)。當(dāng)外加電壓使得量子點(diǎn)的庫(kù)倫阻塞效應(yīng)被部分破壞時(shí),我們發(fā)現(xiàn)了由于局域態(tài)之間相互作用以及動(dòng)力學(xué)通道阻塞引起的超泊松電子散粒噪聲。相對(duì)于以前的研究,如果量子點(diǎn)的庫(kù)倫阻塞效應(yīng)被很大的外加電壓完全破壞時(shí),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(guò)外加磁場(chǎng)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(shí),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(gè)不同的主方程:雙量子點(diǎn)占據(jù)態(tài)基矢下的主方程

4、和雙量子點(diǎn)本征態(tài)基矢下的主方程,來(lái)研究電子通過(guò)雙量子點(diǎn)系統(tǒng)時(shí)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(diǎn)占據(jù)態(tài)基矢的系統(tǒng)主方程只是適合于雙量子點(diǎn)之間耦合非常弱的情況。更進(jìn)一步,我們?cè)陔p量子點(diǎn)的本征態(tài)基矢上,推導(dǎo)出適用于任意強(qiáng)度量子點(diǎn)之間耦合的主方程。我們研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)雙量子點(diǎn)之間的耦合非常大時(shí),利用兩個(gè)主方程計(jì)算得到的電子通過(guò)雙量子點(diǎn)的電流漲落性質(zhì)明顯不同。同時(shí),利用本征態(tài)基矢下的主方程計(jì)算得到的電子散粒噪聲與實(shí)驗(yàn)上

5、所觀測(cè)到的結(jié)果符合得很好。第五章,我們研究了雙量子點(diǎn)固態(tài)量子比特的耗散動(dòng)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(diǎn)系統(tǒng)退相干達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,無(wú)論雙量子點(diǎn)中量子點(diǎn)是否對(duì)稱(chēng),電子在每個(gè)量子點(diǎn)中的概率始終一樣的不正確結(jié)果。我們考慮到推導(dǎo)過(guò)程中的高階項(xiàng)后,得到穩(wěn)態(tài)時(shí)電子在雙量子點(diǎn)中的占據(jù)概率應(yīng)該取決于雙量子點(diǎn)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(xiàng)在固態(tài)量子比特的操作過(guò)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(diǎn)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(guò)雙量子點(diǎn)與納米機(jī)械諧振子之間電容耦合的反作用來(lái)冷卻諧振子。雙量子點(diǎn)是一個(gè)典型的二能級(jí)系統(tǒng),我們可以通過(guò)外加驅(qū)動(dòng)場(chǎng)使得電子態(tài)在雙量子點(diǎn)的基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間發(fā)生轉(zhuǎn)變。利用雙量子點(diǎn)冷卻諧振子的優(yōu)點(diǎn)在于,雙量子點(diǎn)之間的能級(jí)差以及它的耗散速率都可以通過(guò)門(mén)電壓來(lái)調(diào)節(jié)。我們發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)調(diào)節(jié)雙量子點(diǎn)激發(fā)態(tài)的耗散速率以及調(diào)節(jié)外界驅(qū)動(dòng)的頻率使得外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)頻率與雙量子點(diǎn)的本征頻率為紅失諧時(shí),(基于冷卻原子的邊帶冷卻原理