[論文レビュー] Coherent control of tunneling in a quantum dot molecule

J. M. Villas-Bôas, Alexander O. Govorov+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2004

Molecular Junctions and Nanostructures被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、近共振光ポンプパルスによって誘発されるラビ振動を用いて、非対称な二重量子ドット（QD）分子における電子トンネルの整合的制御を提案する。レーザー強度、周波数デチューニング、ゲート電圧を調整することにより、トンネルは強化されたり抑制されたりすることができ、量子情報処理への応用を想定した量子状態の高精度な操作が可能になる。

ABSTRACT

We demonstrate theoretically that it is possible to use Rabi oscillations to coherently control the electron tunneling in an asymmetric double quantum dot system, a quantum dot molecule. By applying an optical pump pulse we can excite an electron in one of the dots, which can in turn tunnel to the second dot, as controlled by an external voltage. Varying the intensity of the pulse one can suppress or enhance the tunneling between the dots for given level resonance conditions. This approach allows substantial flexibility in the control of the quantum mechanical state of the system.

研究の動機と目的

• 光学励起を用いて非対称な二重量子ドット系における電子トンネルの整合的制御を実証すること。
• 外部パラメータ（レーザー強度、周波数デチューニング、ゲート電圧）がトンネルダイナミクスに与える影響を調査すること。
• ラビ振動を用いてQD分子の量子状態をモニタリングおよび操作可能かどうかを検討すること。
• 半導体量子ドットにおけるドット間結合の電気的・光学的制御の理論的枠組みを提供すること。
• 結合QD系における高精度な状態制御を通じて、量子情報処理への応用可能性を実現すること。

提案手法

• 状態 |0⟩（基底状態）、|1⟩（最初のドットにおける励起子）、|2⟩（電子が2番目のドットにある間接励起子）を含む三準位ハミルトニアンを用いてシステムをモデル化する。
• レーザー場と励起子遷移の間の電気双極子相互作用を記述するため、回転波近似（RWA）を適用し、ラビ周波数を Ω(t) = ⟨0|μ·E(t)|1⟩/(2ℏ) で定義する。
• 時間依存するレーザー駆動の時間依存性を除去するためのユニタリ変換を用いることで、時間依存シュレーディンガー方程式を簡略化する。
• 長時間にわたる一定振幅のレーザーパルスに対して、変換後のシュレーディンガー方程式を厳密に解く。
• 電子トンネルを行列要素 Te により記述し、エネルギー差が大きいことからホールトンネルは無視する。
• 周波数デチューニング δ₁、準位分裂 ω₁₂、ラビ周波数 Ω を関数として、状態 |2⟩ の平均占有数を計算することで、システムのダイナミクスを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラビ振動を用いて二重量子ドット分子における電子トンネルの整合的制御が可能か？
• RQ2 レーザー強度（Ω）が、さまざまな共鳴条件下でのドット間トンネル確率にどのように影響するか？
• RQ3 周波数デチューニング（δ₁）とドット間エネルギー準位分裂（ω₁₂）がトンネルを強化または抑制する役割を果たすか？
• RQ4 プローブレーザーを用いて、システムが整合的ダイナミクスをモニタリング可能か。これにより、ラビ振動のリアルタイム観測が可能か？
• RQ5 トンネル確率がレーザー強度に非単調な依存関係を示すことはあるか。もしそうなら、どのような条件下で抑制または強化が発生するか？

主な発見

• ラビ周波数 Ω がトンネル行列要素 Te と等しくなるとき、特に準位 |1⟩ と |2⟩ が共鳴状態（ω₁₂ = 0）にある場合、ドット間トンネルが抑制される。
• ω₁₂ = 0 の場合、最大の状態 |2⟩ への遷移が Ω = Te で発生し、トンネルと光学的結合による準位混合と整合的である。
• 初期状態が共鳴でない場合（ω₁₂ ≠ 0）、レーザー強度 Ω を増加させることでトンネルが強化され、最適な遷移は有限の Ω および ω₁₂ 値で発生する。
• ω₁₂ = 0.06ω の場合、Ω ≈ 0.03ω で共鳴状態のケースを上回る |2⟩ の平均占有数が観測され、非共鳴領域でのトンネル強化が示唆される。
• 共鳴状態であっても、高レーザー強度（大きな Ω）では、ダイナミックデカップリング効果によりトンネルが抑制される。
• δ₁ および ω₁₂ の値に依存して、トンネル確率が Ω の関数として非単調な振る舞いを示し、強化および抑制の両方が可能である。