耦合双量子点器件中电子自旋态的量子测量

论文摘要

单电子自旋状态的读出不仅对基础物理的研究有重要的意义,还对利用自旋来实现量子计算机也是非常的重要。本文主要研究了如何运用量子点接触在耦合双量子点中读出单个电子的自旋状态。第一章我们简单的介绍了本文所研究的系统——量子点系统,给出了它的一些性质,包括量子尺寸效应,库仑阻塞及自旋阻塞还有量子隧穿。这些都是本论文最基础的东西。第二章主要介绍了本论文中有关电子状态读出所需的一些理论基础知识,包括单电子自旋共振原理及其在实验上的实现,原子核自旋与电子自旋的超精细相互作用以及本论文中所采用的计算量子点电子输运的率方程的方法。在第三章中,我们首先介绍了实验上已经实现了的在单个量子点中单个电子自旋的读出。接着,我们重点研究了在耦合双量子点系统中单个电子自旋的动力学及如何通过运用一个量子点接触器件读出它的白旋状态。我们模型化了此微观体系并且推导了该体系的电子约化密度矩阵的率方程。其中,我们考虑了两种情况,一种是在耦合双量子点中有一个电子的情况,我们将其放在本章。在这种情况下,电子自旋态的区别是通过量子点接触中是有一恒定电流还是有一振荡电流这个特征来实现的。此外,为了确定一个电子的确被注入到了耦合量子点系统中,我们在量子比特点上外加了一个旋转磁场,此后通过观察量子点接触中的电流这个经典量的变化就可成功判断是否有电子注入。另一种情况是在耦合双量子点中有两个电子的情况,我们将其单独放在第四章。在这种情况下,耦合量子点中,其中的一个量子点我们叫它量子比特点,就是要读出在这个量子点中电子自旋的状态。其实当我们考虑电子自旋与核自旋之间的超精细相互作用再在系统中加上一个外磁场后,电子自旋态的读出与第一种情况就很相似了。同样为了确定一个电子的确被注入到了耦合量子点系统中,我们仍在量子比特点上外加了一个旋转磁场。第五章对全文做了总结。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 量子点的简单介绍
• 1.2 半导体量子点的主要性质
• 1.2.1 量子尺寸效应
• 1.2.2 库仑阻塞及泡利自旋阻塞效应
• 1.2.3 量子隧穿
• 1.3 论文结构
• 参考文献
• 第二章 理论基础
• 2.1 电子自旋共振
• 2.2 超精细相互作用（Hyperfine interaction）
• 2.3 布洛赫型的率方程方法
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 利用双量子点中不同Zeeman劈裂读出单个电子自旋
• 3.1 引言
• 3.2 自旋-电荷转变
• 3.3 只有一个量子点情况下电子自旋的读出
• 3.4 读出过程
• 3.4.1 理论模型
• 3.4.2 布洛赫型的率方程
• 3.4.3 分析和结论
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 利用Pauli自旋阻塞及hyperfine相互作用读出单个电子自旋
• 4.1 理论模型
• 4.2 布洛赫型的率方程
• 4.3 分析和结论
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 论文总结
• 5.1 论文主要内容总结
• 附录A 运用率方程方法推导方程3.11和3.12
• 硕士期间完成论文目录
• 致谢