固态系统中单电子态的量子测量

来源 :中国科学院半导体研究所 | 被引量 : 0次 | 上传用户:luo_yanjiang1980
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近年来,随着量子信息学的迅速发展,量子测量问题得到了广泛的关注,尤其是与固态量子信息相关的固态量子测量,研究才刚刚开始,还远不成熟,实现固态量子测量一个可行的方案是利用介观输运装置量子点接触(QPC)测量单电荷量子比特(qubit)。理论上,已有几个研究组对QPC测量单个电荷量子比特问题进行了深入的研究。实验上,实现了利用QPC测量单个量子点中单电子的占据情况.实验清楚地显示了QPC极高的灵敏性,以及将来的可能应用.因此,研究QPC的测量特性和建立正确的理论描述十分重要.   本文由以下几部分构成:首先,介绍并分析了国际上三个著名研究组的工作,它们分别是:Gurvitz的Bloch方程理论,Milburn研究组的量子轨道理论和Korotkov研究组的Bayesian理论.尽管这三种方案的理论形式不同,但本质上是等价的.特别是,系综平均后,它们都对应同一个Lindblad形式的量子主方程.然而,我们注意到,这个Lindblad形式的量子主方程将导致不正确的弛豫行为,即完全退相干和弛豫后,非对称的量子比特在能量不同的局域量子态上占有几率相同.很明显,在有限电压下,这个结果打破了细致平衡条件.即它没有考虑测量仪器和被测系统的能量交换效应,这个结果仅仅在大电压极限下有效.然而,在大电压极限下,用他们的测量理论得到的噪声谱却很难解释.大电压极限时,有比较强的耗散,当频率等于qubit的Rabi振荡频率时,噪声谱不应出现峰值,而他们的理论得出的噪声谱却有峰值.   接着,第三章介绍了处理方法和利用这一方法研究两态系统(qubit)的测量问题.我们新发展的主方程理论考虑了能量交换效应.当测量仪器引起量子比特从高能级(低能级)向低能级(高能级)(随机)跃迁时,我们注意到,相应的跳跃几率是通过放出和吸收能量把量子比特的跃迁和QPC中的电子隧穿联系起来了,从而建立起一种“能量交换”相关的细致平衡关系.这个能量交换效应对量子比特的弛豫行为有决定性的影响:充分弛豫后,量子比特的占据几率与能量有关,而不会出现“等儿率”占据.特别地,忽略了跃迁几率中的这个非弹性能量交换效应,就与大电压极限是等价的.因此,我们的方案适用于任意测量电压和温度.   在第四章,用测量理论分析了“一个单电子的多态系统(电子处于无序势中)”的测量问题.被测系统是N个耦合量子阱中的一个额外掺杂电子,测量仪器是一个介观输运装置QPC.电子处在不同的量子阱中代表不同的量子状态.这个模型在文献的基础上作了改进,文献中的模型只能分辨电子是否在第一个阱里,对电子在其它阱不作分辨,而我们的模型原则上能分辨电子在任何一个阱的情况,这样的描述更接近实际.众所周知,无序系统中的电子在量子阱里形成Anderson局域化,被测量后发生退局域化.特别地,在没有使用任何强投影假设的情况,Gurvitz的文章中显示了无序系统被一个QPC探测,发生了完全退局域化,电子在每一个局域态的占有几率相等.文献中解释退局域化仅仅是由退相干引起的,我们的研究结果表明.文献中的退局域化行为只有在大电压极限下有效,本文进而推广在任意有限电压下研究这一问题.我们的结论是退局域化很大程度上是由于被测电子和测量仪器QPC之间的能量交换引起的,因此是依赖测量电压的,并且导致了一些明显的退局域化特征:在局域的阱态表象下,充分测量后,密度矩阵非对角元的实部不等于零,这是因为测量引起的退相干使被测态变为能量本征态的统计混合态,而不是局域的阱态混合态;伴随着量子测量,耦合量子阱中电子态的弛豫逐渐发生。退局域化将导致电子在每一个阱里的占有几率的重新分布.由于正确地考虑了测量仪器和被测系统之间的能量交换,在充分弛豫后,电子在每一个阱里的占有几率不相等;预言了因“能量交换”引起的“微分电导台阶”,当电压与被测系统的内部能级差共振时,电子在阱态的占有几率将发生显著变化,出现了微分电导台阶.   最后,第五章初步研究了QPC对纳米机械谐振子(NAMR)和双qubit的测量问题。简单讨论了测量仪器和被测系统的能量交换效应对NAMR和双qubit弛豫和退相干的影响。
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