减小核自旋引起经典噪声的办法


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对量子点系统来说,电子周围的原子核环境是经典噪声的主要来源。原子核的有效温度一般远远高于其居里点,所以可以认为他们处于一个完全混合态。其磁场的去向是完全杂乱的。但同时也是变化缓慢的。因此对电子来说,我们认为这是一个准静态的经典噪声。要消除这个噪声的影响,人们可以用回声法(echo)。另外人们发现,通过主动的驱动控制,是可以冷却核自旋,从而减小噪声的。

一种给核降温的办法是极化。当所有原子核都极化后,它就处于一个特定的状态,等效于零温。那么经典噪声就没有了。要实现这个,我们需要很强的驱动,对系统进行高效的极化,只有达到90%以上的极化后,才能有效的提高相干时间。在量子点系统中,极化率只达到了一半左右。在钻石NV系统中,极化率高很多,差不多有90%以上。因为NV系统的核自旋很少。另外一种办法,就是加强磁场,强迫核自旋极化。但是所需的磁场强度远远高于目前的技术所能实现的磁场。

最近,人们发现,通过巧妙的控制量子点与环境的耦合,我们可以把经典噪声压缩。或者说在外加控制下,核自旋感受到一个有效的势阱,能把核自旋产生的有效磁场聚焦到某个点上,大大减小这个噪声的分布宽度。虽然各个方案产生势阱用到的物理机制各有不同,但是用于计算相干时间所用的数学公式都是一样的,都是Fokker-Planck 方程,一个用于计算非平衡态的经典方程。在各种理论以及实验方案中(比如Phys. Rev. Lett. 99, 036602 (2008)arXiv:0902.2659),相干时间都能延长一个量级以上。这类方案是很有好处的,因为核自旋的取向能够维持若干秒钟,因此一次制备核自旋状态后,能够管很久。回声技术需要持续不断的加脉冲进行控制,这里就给免了。这个想法,也许能够帮助我们理解另外一个相关的实验,在那里核自旋只不过极化了1%,可是相干时间延长了70倍以上。
Rudner, M., & Levitov, L. (2007). Self-Polarization and Dynamical Cooling of Nuclear Spins in Double Quantum Dots Physical Review Letters, 99 (3) DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.036602
Vink, I., Nowack, K., Koppens, F., Danon, J., Nazarov, Y., & Vandersypen, L. (2009). Locking electron spins into magnetic resonance by electron–nuclear feedback Nature Physics DOI: 10.1038/nphys1366
Reilly, D., Taylor, J., Petta, J., Marcus, C., Hanson, M., & Gossard, A. (2008). Suppressing Spin Qubit Dephasing by Nuclear State Preparation Science, 321 (5890), 817-821 DOI: 10.1126/science.1159221

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