45、耦合量子点作为量子门的研究

耦合量子点作为量子门的研究

1. 引言

半导体量子点，有时被称为人造原子，是一种能在三维空间中限制电荷载流子的小型器件。通常通过电气门控和/或蚀刻技术，将其应用于二维电子气（2DEG）来实现这种限制。由于量子点的尺寸与费米波长相当，其电子光谱由离散的能级组成，这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（B << 1 T）对应的磁长度约为10 nm，远大于真实原子的玻尔半径，但与人造原子的尺寸相当。因此，量子点的光谱强烈依赖于所施加的磁场。在耦合量子点中，即一定程度上可视为人造分子的系统中，已观察到库仑阻塞效应、磁化现象以及离域“分子态”的形成。

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，引发了利用耦合量子点进行量子计算的想法。与其他一些基于量子点的方案不同，本文将电子自旋S视为量子比特（qubit），即量子计算机中的基本信息单元。这具有两个显著优势：一是由真实自旋 - 1/2表示的量子比特始终是定义明确的，二维希尔伯特空间是其全部可用空间，不存在量子比特状态“泄漏”到额外维度的问题；二是在量子计算过程中，需要保持量子比特的相位相干性。在GaAs中，真实自旋的退相时间可达微秒量级，而电荷自由度的退相时间通常短得多，约为纳秒量级。

除了定义明确的量子比特外，还需要一个可控的“纠缠源”，即一种能使两个指定量子比特在特定时刻发生纠缠的机制，以实现基本的量子异或（XOR）或受控非（controlled - NOT）门操作。这可以通过临时耦合两个自旋来实现。由于库仑相互作用和泡利不相容原理，两个