量子点的主要退相干机制


量子点中的电子自旋作为量子比特是一个很有意思的实现量子计算的路径。它直接与现有的半导体技术对接,有很好的可扩展性。一个重要的技术与理论问题就是理解量子点的退相干机制,从而克服强退相干带来的不利影响。

要研究这个问题,我们首先要理解量子点这个模型,包含了哪些部分,且相互作用如何。构成量子点的材料一般是GaAs或者InAs。我们可以用自组织 法或者界面涨落来制备量子点。量子点一般是一个直径几十纳米,厚几纳米的圆面,电子可以被束缚在里面。我们可以认为电子是被束缚在一个二维的间谐势阱中, 其电子波函数应该是高斯型的。在量子点中,还存在着很多的原子构成的晶格。很显然,电子与原子核直接有相互作用,是自旋间的超精细耦合作用。临近的核自旋 间也有互相耦合。另外以电子作为媒介,能够诱导出两个相互远离的原子核直接的耦合作用。另外,在量子点周围加上磁场,可以控制量子点内部的能级分裂。

在 实验室中,我们一般是在液氦的低温区进行实验,这样能够减小晶格热噪声。可是对原子核自旋来说,它的居里点大概在μK量级,因此核自旋是完全杂乱无章的。 核自旋与电子自旋的耦合会引起一个有效的磁场。可由于核自旋取向完全无方向,因此这个有效磁场平均值为零,但根方差大概为几个毫特斯拉。 这是一种经典的噪声,能够引起电子自旋中的退相干。这种退相干对应的特征时间叫做T2*,一般为1-10纳秒。实际上电子自旋的相位信息并未完全丢失,我 们可以用回声技术把相位从新从核自旋中收回来。所谓回声技术,就是在时间T对电子自旋做一个X操纵,相当于让它进行时间反演运动。那么再过相同的时间后, 经典的有效磁场噪声的影响就被消除了。理论上,通过这个技术可以把退相干时间增加1000倍,达到10μ秒。

把经典噪声消去后,核自旋之间 的直接相互作用就占主导了。它的特征时间就是微妙量级,用T2表示。要提高T2,我们必须让核自旋完全磁化。为此必须降温到居里点一下,或者外加强磁场迫 使它磁化。可惜这二者技术上都不可行,超过了现有的技术。另外还有一种相互作用叫做自旋轨道耦合,能够直接引起电子自旋之间的跃迁。这种机制带来的退相干 时间也是微秒量级。

目前人们最感兴趣的就是如何把T2*延长到T2。虽然回声技术很强大,但是它也有弱点,我们需要很多脉冲来控制自旋,会 增加实验难度,也会引入新的噪声。为此,我们希望能够用某种机制减小核自旋的经典噪声。比如我们可以通过驱动光或者驱动电流来极化核自旋,当核自旋完全被 极化时,自然就减小了有效磁场的噪声。或者我们也可以通过测量等手段,把核自旋制备到某个磁量子数固定的状态上,也能有效的减小噪声。最近一个有趣的进展 是通过自稳定的办法,把核自旋舒服在某个磁量子数附近,可以有效的延长T2*达到几十倍。而且由于核自旋的有效磁场衰减时间很长,达到几秒钟。这这个时间 尺度内,电子退相干时间都能够被有效的延长几十倍,而不需要额外的控制操纵。在下一篇blog里,我会大致讲讲这类工作的主要思想,以及相关实验。

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