自旋量子比特的退相干，调控和可控耦合

论文摘要

本文介绍了自旋量子计算的研究背景,发展过程,在现阶段所取得的进展,所遇到的阻碍,以及潜在的应用方向。基于NV色心的自旋量子比特具有很好的相干性,在常温实验条件下就可以进行初始化,相干操作,以及测量。我们研究了一个自旋为1的中心自旋模型来解释NV色心的退相干。在这个模型中我们发现了新的退相干机制。一种新的"hyperfine mediated spectral diffusion"机制被我们所发现,在这个退相干机制中,中心自旋的Overhauser场的量子涨落来自于‘’hyperfine mediated interaction",这与传统的自旋1/2是完全不同的。量子计算离不开量子比特之间的可控耦合。对基于自旋单态和自旋三重态的逻辑量子比特,也就是ST0量子比特,由于它可以被外加电场来操控,是当前研究热门之一。我们提出了利用交换相互作用在特定磁场下来实现两个ST0逻辑量子比特之间的可控耦合,在这个特殊的磁场下,ST0量子比特Hilbert空间的泄露可以避免。在我们这个交换耦合方案中,量子比特之间的耦合是完全可调的,而且在在实验上容易实现。强自旋轨道耦合材料的出现使得spin-orbit量子比特成为当前的研究热门之一,spin-orbit量子比特的操作可以用电偶极自旋共振来实现。我们研究了一个纳米线单量子点来研究电偶极自旋共振的机理,采取简并微扰的方法,我们解析地求出了量子点的最低能级,以及相应的量子态。我们发现电偶极自旋共振的Rabi频率会有一极大值,也就是说存在一个最佳的自旋轨道耦合值。spin-orbit量子比特的能级劈裂以及Rabi频率都对外加磁场的方向有响应,我们提出通过这些响应来探测半导体纳米线中的Rashba以及Dresselhaus自旋轨道耦合强度。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 总论
• 第1节 量子计算的基本条件
• 第2节 物理量子比特
• 2.1. 光量子比特
• 2.2. 电子自旋量子比特
• 2.3. 超导量子比特
• 第3节 量子门
• 3.1. 单比特门
• 3.2. 控制非门
• 参考文献
• 第二章 中心自旋1系统的退相干
• 第1节 引言
• 第2节 模型
• 第3节 退相干函数
• 第4节 退相干函数的磁场依赖性
• 第5节 小结
• 参考文献
• 第三章 Singlet-triplet逻辑量子比特之间的可控耦合
• 第1节 引言
• 第2节 双量子点中的singlet-triplet量子比特
• 第3节 两个singlet-triplet量子比特间的可控耦合
• 第4节 生成两比特门
• 4.1. 通过自由演化来生成纠缠态
• 4.2. 控制非门
• 第5节 小结
• 参考文献
• 第四章 Spin-orbit量子比特以及利用它来探测纳米线中的自旋轨道耦合强度
• 第1节 引言
• 第2节 半导体纳米线量子点中的spin-orbit量子比特
• 第3节 电偶极自旋共振以及它对磁场的响应
• 第4节 小结
• 参考文献
• 第五章 腔量子电动力学：Spin-orbit量子比特与谐振腔的耦合
• 第1节 引言
• 第2节 电磁场的量子化
• 第3节 Spin-orbit量子比特与谐振腔的耦合
• 第4节 小结
• 参考文献
• 附录A 中心自旋有效Hamiltonian的推导
• 附录B 中心自旋相互作用表象的推导
• 附录C 双量子点中两电子自旋有效相互作用Hamiltonian的推导
• 附录D 四量子点中有效自旋Hamiltonian的推导
• 博士期间发表的论文
• 致谢