固态自旋体系和光子的耦合及其应用的理论研究

发布时间：2020-11-18 23:04

　　 量子信息由于其独特的性质和强大的信息处理能力受到了越来越多的关注,而固态自旋量子体系与光子耦合的方案,集合了自旋比特相干时间长且易集成和光子操作灵活的优势,成为量子信息中的热门候选方案。本文针对固态量子自旋体系与光子耦合方案,对其理论模型和具体应用进行分析与模拟计算,主要探讨了两个方面内容:一是利用光子对自旋量子比特进行测量,包括色散测量,测量动力学研究,以及实现快速高保真测量;二是建立量子架构,包括以自旋-光子模块为基本单元构建量子网络,片上自旋量子纠缠的测量与制备,和用稀土晶体中的自旋制备量子通信中多功能节点。本论文主要内容有:1.概括介绍了量子信息的研究背景,对本文中经常使用的一些量子概念进行简要说明,同时列举了固态自旋体系的一些物理实现方案,另外还阐述了量子架构中的网络架构。2.以S-T0自旋量子比特为例,设计了利用光子对自旋量子态进行测量的方案。利用主方程与运动方程对演化过程进行模拟计算,展示了在不同外部磁场与交换能的情况下,自旋比特谱的变化。同时研究了在不同逻辑门的操作下,测量信号的改变情况。3.进一步研究了自旋量子比特测量的动力学,通过调节自旋比特的门控电压与隧穿速率,实现了横向耦合与纵向耦合的调控。分析了系统演化过程中的退相干和读取过程中的信噪比。使用运动方程数值模拟了在不同参数时,系统随时间的演化情况,我们发现通过调节工作参数,可以得到读取测量的最佳工作点,提高了测量的效率与保真度。4.介绍了我们设计的一种新的测量方案,通过调节测量微波的强度与自旋量子比特频率的变化,将测量过程分为获取、色散、释放三个阶段,在极大缩短了测量时间的同时,也实现了高保真度的测量。除此之外,这套方案还可以用来获取自旋量子比特的噪声谱,对了解与抑制退相干有极大帮助。5.从自旋-光子基础模块出发,通过设计自旋量子比特的驱动脉冲,实现了可控波形单光子的制备。利用单光子作为“飞行比特”,完成了不同节点模块之间的确定性量子态转移和纠缠态的制备。我们发现,无论是量子态转移过程保真度还是纠缠保真度,都可以很好地达到纠错协议的阈值,满足了构建量子网络架构的指标与条件。6.分析了两自旋量子比特与谐振腔耦合的模型,设计了宇称测量过程中的微波驱动脉冲,利用随机主方程模拟计算了系统的演化,成功区分了自旋量子比特的不同宇称态。此外,宇称测量还实现了片上自旋比特Bell态的制备,通过对结果施加一个反馈调节还可以获得确定性纠缠态。7.从稀土掺杂离子出发,由于其独特的性质,设计了一种多功能量子通信节点,并提出了构建量子网络的方案,包括电子自旋纠缠、电子自旋与核自旋的态转移、纠缠态纯化、构建网络四个步骤。同时对此量子网络架构进行了重要参数的评估与原理验证实验方案的设计。本论文主要创新有:1.利用自旋量子比特与光子耦合体系,实现了自旋量子比特谱与逻辑门操作的色散测量,为自旋比特测量提供了一种新的思路。2.实现了自旋量子比特与光子之间的可调控耦合,详细分析了测量过程的动力学,通过调节参数找到了最佳测量点,有效提高了测量质量。3.新设计了一种测量微波脉冲,有效避免了 Purcell效应,实现了自旋量子比特快速且高保真度测量,对量子纠错等的实现有重要意义。4.以自旋-光子模块为基本单元,实现了不同节点之间的量子态转移与纠缠态生成,更进一步,构建了可扩展的量子网络架构。5.设计了两自旋量子比特与谐振腔耦合模型,利用宇称测量实现了片上自旋量子比特之间的确定性纠缠制备与测量。6.以稀土掺杂离子的自旋作为多功能节点载体,提出了一种构建量子网络架构的新方案,并对此设计了原理验证实验,推进了量子网络通信的研究。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O413
【部分图文】：

?第一章绪论???比，这里多了一个Ｄｉｒａｃ算符丨?＞，其代表在量子计算中，不同状态之间可以线性??组合，我们通常称之为叠加态：??｜＾）?＝?ａ｜０＞?＋?＾｜ｌ）?（１．１）??上式中的ａ和／？是复数，在通常情况下，可以将其视为实数。其中丨０）态和丨１＞??态构成了计算的基础态，在向量空间中形成一组正交基，而量子态Ｍ》则可视为??二维复矢量空间中的矢量。??与经典计算得到确定性结果不同，量子计算中无法通过测量量子比特得到其??量子态，即ａ和的值。我们只能得到结果为丨０＞的概率是丨《丨２，结果为丨１＞的概率??是丨／？丨２，而两者的和｜ａ｜２?＋?｜／？｜２?＝?ｌ。??为了对量子比特有一个更加形象的理解，将其用空间几何的形式表示，因为??｜？｜２?＋丨沒丨２?＝?１，所以：??Ｑ?Ｑ??＼ｘｐ）?＝?ｅｌＹ（ｃｏｓ—１０）?＋?ｅｌｔｐｓｉｎ—＼ｌ））?（１．２）??其中ｙ，?０，?均为实数，在实际计算中，少没有明显的影响，将其忽略得到：??＼ｘｐ）?＝?ｃｏｓ－１０）?＋?ｅｌｔｐｓｉｎ＾＼ｌ）?（１．３）??公式（１．３）相当于单位三维球面上的一个点，如图１．１所示，这个球通常被称??为Ｂｌｏｃｈ球。??１〇）??ｚ＾ｂ＼??／你?丨奶＼??／?＼??，???ｖｕ??ＩＤ??图１．１量子比特在Ｂｌｏｃｈ球中的表示。??２??

?第一章绪论???１．３．１?ＩＩＩ／Ｖ族量子点??根据量子点中自旋协议，第一批半导体量子比特由ＩＩＩ／Ｖ族材料制成，其??中超纯ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ异质结构具有很好的生长性，能够将电子和空穴的尺寸不??断缩小，最终成为一个零维度的“盒子”，即一个量子点（ＱＤ）和一个电子。量子点??可以通过自上而下的方法制得，在这种方法中，纳米表面电极会消耗掉二维电子??气中的电荷，如图１．３（ａ）；或者通过自下而上的生长方法，其中ＩＩＩ／Ｖ族合金（如??ＩｎＡｓ）的微型结构会在ＧａＡｓ表面自组织生长，如图１．３（ｂ）。??翻??图１．３?（ａ）ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ异质结构中的量子点，量子点由电极控制。（ｂ）??自组织生长量子点显微镜照片。??８??

?第一章绪论???共振。使用具有４．７％同位素的天然２９Ｓｉ作为衬底，由于核自旋浴的限制，其自旋??相干时间Ｔ２？?２００ｍｓ［２Ｑ］，可以想象，以同位素更丰富的２８Ｓｉ作为衬底，其相干??时间或可延长至？ｌｓ，这己在２８Ｓｉ：?Ｐ系综中得到验证。图１．４中所展示的设备也??可用来演示３１Ｐ掺杂的核自旋量子比特，这些核自旋在未来的量子信息处理中可??用作长寿命的量子存储器［１９，２＼??就某些方面而言，硅基掺杂量子比特代表了自上而下和自下而上两种制造方??法的有效组合，因为其将自然且高度可复制的量子比特（单个原子）置于纳米级的??电子设备中。与此同时，类似于ＩＩＩ／Ｖ异质结构中的量子点，使用电极控制的人??造原子也取得突破［１９］。在Ｓｉ／ＳｉＧｅ异质结构中，两个量子点中双电子构成了自旋??单重态与自旋三重态，他们之间的相干振荡于２０１２年被观测到［２３］，其形式与ＩＩＩ／Ｖ??族量子点相类似。由于自然硅中的超精细耦合比较弱，因此测得的退相位时间??３６０ｎｓ，比ＧａＡｓ中的退相位时间长了一个数量级，并且使用同位素丰富的??２８Ｓｉ有望进一步提高。??？－翁ｒ噼邀??ｓ??图１．４?Ｓｉ基量子点的电子显微镜照片，下方为自旋量子比特，上方位微??波传输线。图片引自（Ｐｌａ，?Ｊ．?Ｊ．，ｅｔａｌ．２０１２）。??１．３．３?ＩＶ族金刚石??ＩＶ族中还有一种材料非常有希望成为量子信息技术的候选方案，那就是金??刚石。由于金刚石的能带宽度非常大（５．５ｅｌ〇，因此存在许多光学活性点缺陷，其??中不少顺磁性的则可以作为量子比特。金刚石中研究最多的是ＮＶ色心体系，即??金刚石晶体中空位附近的碳原子由一个氮原子取代
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本文编号：2889338