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双量子点中的量子信息研究

作　者: 张辉
导　师: 郭光灿；郭国平
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 光信息科学与技术
关键词: 量子点双量子点分子自旋单重态自旋三重态 Bell态测量 cluster态传输线腔
分类号: O471.1
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文研究了半导体量子点中的若干重要的量子信息过程。半导体量子点是最有可能实现量子计算机的固态器件之一。它具有容易操作和扩展,同时有较长的相干时间的特点。通过把量子比特编码在量子点中囚禁电子的自旋自由度上,比如单电子的自旋上和下,或者双电子的单重态和三重态等,人们可以研究各种量子信息过程。本文中,我们的工作主要集中在用双量子点结构来实现量子计算,主要内容包括:1.文章首先介绍了半导体量子点的研究背景和研究动机,并具体介绍了半导体量子点的结构以及如何利用量子点中电子自旋进行编码实现量子计算。2.介绍了一种无需两比特相互作用的双量子点结构,可以用来实现基于测量的量子计算。基于这种结构,我们提出了非破坏性量子Bell态测量的方案,并且进一步地可以实现n粒子的GHZ态,从而实现量子计算的方案。3.我们具体讨论了耦合双量子点结构(即双量子点分子),并基于双量子点分子结构提出了两种方案来实现量子计算。一种方案是通过在双量子点分子链构造出cluster态,结合单比特操作和读出,可以实现量子计算:另一种方法是通过用双量子点分子构造普适量子门的方法来实现量子计算。4.为了提高双量子点分子之间的耦合强度,我们提出了用超导传输线腔来耦合多个双量子点分子。并将量子比特置于腔的大失谐区进行操作,这样可以有效地压制腔模损耗引起的退相干机制。5.结合目前的实验条件和理论,我们对基于双量子点结构的量子计算做了具体讨论,并对将来的工作做了实际的展望。本文的主要创新点:1.在无需两比特相互作用的双量子点结构上,提出了非破坏性测量Bell态的方案,使得整个体系支持在非绝热条件下运行。这种非破坏性测量的想法,可以用来制各n粒子GHZ态,从而可以用来做量子计算。2.我们提出了一种双量子点分子链的排布方案:双量子点分子中两个量子点的排布方向垂直于双量子点分子排布方向的结构。这种结构大大简化了近邻量子比特之间的相互作用(为Ising相互作用),可以一步实现cluster态制备以及近邻比特之间的两比特门和Bell态测量。进一步地,这种排布具有很好的扩展性,可以将逻辑比特扩展到二维空间中。3.我们设计的双量子点分子中两个量子点的排布方向垂直于双量子点分子排布方向的结构,经过计算,可以有效地消除掉非近邻量子比特带来的相互作用影响。4.我们提出了用传输线腔(TLR)来耦合多个双量子点分子的模型,大大加强双量子点分子之间的耦合强度(直接的库仑相互作用强度较小)。这是一个多比特模型,通过腔耦合,我们可以选择任意两个双量子点分子进行两比特操作。此外,我们提出了利用传输线腔的大失谐区作为操作区,这样可以大大降低由于腔模损耗引起的退相干。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-10
目录  10-12
第1章绪论  12-28
  §1.1 研究背景和动机  12-13
  §1.2 量子点  13-16
  §1.3 量子点中的电子输运  16-19
  §1.4 单电子量子点结构  19-21
  §1.5 多电子量子点结构  21-23
  §1.6 论文主要内容  23-25
  参考文献  25-28
第2章量子点中Bell态的非破坏性测量以及n粒子GHZ态的制备  28-40
  §2.1 基于测量的量子计算  28-30
  §2.2 Bell态的非破坏性测量  30-34
  §2.3 n粒子GHZ态的制备  34-36
  §2.4 本章小结  36-38
  参考文献  38-40
第3章双量子点分子中的电子自旋  40-54
  §3.1 双量子点分子的轨道哈密顿量  40-47
    3.1.1 两电子,非偏压区  44-45
    3.1.2 偏压区以及绝热去除  45-47
    3.1.3 电荷的非弹性延迟  47
  §3.2 双量子点分子中双电子自旋哈密顿量  47-52
  参考文献  52-54
第4章利用双量子点分子结构实现一步制备的cluster态  54-68
  §4.1 cluster态和双电子态的介绍  54-55
  §4.2 双量子分子结构  55-57
  §4.3 一步制备cluster态  57-62
  §4.4 双量子点分子cluster态的保存、测量和保真度  62-63
  §4.5 讨论和小结  63-65
  参考文献  65-68
第5章双量子点分子中的量子计算和Bell态测量  68-82
  §5.1 双量子点分子两比特门的介绍  68-69
  §5.2 初始化和单比特操作  69-72
  §5.3 两比特门  72-76
  §5.4 单比特的读出和Bell态的测量  76-79
  §5.5 讨论和小结  79-81
  参考文献  81-82
第6章超导传输线共振腔和双量子点分子的大失谐耦合  82-96
  §6.1 双量子点分子与TLR腔的背景介绍  82-84
  §6.2 双量子点分子-TLR体系  84-88
    6.2.1 TLR系统  84-85
    6.2.2 双量子点分子量子比特  85-87
    6.2.3 双量子点分子-TLR组合系统  87-88
  §6.3 双量子点分子-TLR体系下实现控制相位门  88-89
  §6.4 双量子点分子-TLR体系的退相干机制  89-92
  §6.5 讨论与小结  92-93
  参考文献  93-96
第7章总结和展望  96-100
  §7.1 论文小结  96-97
  §7.2 双量子点分子实现量子计算的展望  97-100
附录Ⅰ 双量子点分子cluster态制备过程中非近邻比特影响的消除计算  100-110
附录Ⅱ 量子点中的退相干机制  110-116
致谢  116-118
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  118

双量子点中的量子信息研究

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