44、电子的量子计算与量子通信

电子的量子计算与量子通信

1. 耦合量子点作为量子门

1.1 半导体量子点概述

半导体量子点，有时被称为人造原子，是一种能在三个维度上限制电荷载流子的小型器件。通常通过电气选通和/或蚀刻技术，例如应用于二维电子气（2DEG）来实现这种限制。由于量子点的尺寸与费米波长相当，其电子能谱由离散的能级组成，这些能级已在电导和光谱测量中得到了详细研究。在砷化镓（GaAs）异质结构中，量子点中的电子数量可以从零开始逐个改变。典型的实验室磁场（约 1T）对应的磁长度约为 10nm，比真实原子的玻尔半径大得多，但与人造原子的尺寸相当，因此量子点的能谱强烈依赖于所施加的磁场。

在耦合量子点中，可在一定程度上视为人造分子，已观察到库仑阻塞效应、磁化现象以及离域“分子态”的形成。

1.2 量子点在量子计算中的应用

受集成电路快速小型化的推动，人们对由静电耦合量子点制成的经典逻辑器件一直保持着兴趣。近年来，基于量子力学的新计算原理的发现，催生了使用耦合量子点进行量子计算的想法。此外，还探索了许多其他实现方案，包括核磁共振（NMR）、囚禁离子、腔量子电动力学（QED）和约瑟夫森结等。固态器件为制造大型集成网络提供了可能性，这对于量子计算机的实际应用是必需的。

在量子点方案中，一个基本特征是将电子自旋 S 视为量子比特（qubit），即量子计算机中的基本信息单元。这与其他同样基于量子点的方案形成对比，在那些方案中，是由电荷（轨道）自由度形成量子比特，并以赝自旋 - 1/2 来表示。然而，真实自旋相对于赝自旋有两个直接优势：
- 由真实自旋 - 1/2 表示的量子比特始终是定义明确的量子比特，二维希尔伯特空间是其全部可用空间，因此不存在量子比特状态