37、固态量子信息载体：原理、操作与应用

固态量子信息载体：原理、操作与应用

在量子信息领域，固态量子信息载体具有重要地位。本文将深入探讨固态量子信息载体的相关知识，包括量子点的电子结构、光学选择规则，以及固态量子比特的定义和光学操纵等内容。

1. 固态系统基础概念

在固态系统中，$E_{nz}$ 代表有限方势阱问题的离散能量本征值，$V_0$ 是能带极值处的能量。在一个方向上进行调制会产生一组“子带”，每个子带对应一个 $n_z$ 值，且每个子带都有一组连续的能量本征值，对应不同的 $k_x$ 和 $k_y$ 值。

为了定义量子比特，需要离散能级，这就要求在三个维度上都实现约束。通常采用一个小带隙的半导体被大带隙材料完全包围的结构，这种结构被称为“量子点”。此时，薛定谔方程的一般解为：
[
\psi(r) = \sqrt{V} \xi_{3D}(r) U_n(r)
]
其中，$\xi_{3D}(r)$ 是描述完全局域态的函数，通常比 $U_n(r)$ 变化更慢，被称为“包络函数”。

有限方势阱模型在三维情况下求解较为困难，因为描述这种盒子的势函数不能写成描述每个空间维度变化的三个势函数之和，所以无法使用分离变量法求解薛定谔方程。因此，常采用可分离形式的谐振势。

量子点的离散能级结构可以通过多种方式进行调节，因此这种纳米结构常被称为“人造原子”。不同的材料会改变约束势的大小，形状和尺寸也可以变化。这种可调节性在量子点激光器等多种应用中非常有用，也使其成为量子信息处理技术（包括光量子计算）极具通用性的候选材料。

2. 光学选择规则

价态电子可以通过吸收光场跨越带隙跃迁到导带态。然而，存在一些选择规则限