[논문 리뷰] Extracting single electron wavefunctions from a quantum electrical current

Arthur Marguerite, Benjamin Roussel외 11명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 30.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 주기적인 양자 전류에서 단일 전자 및 정공의 웨이브패킷과 그들의 양자 얽힘을 사전 가정 없이 추출하기 위해 이중입자 간섭계와 신호 처리를 사용하는 새로운 온칩 양자 전류 분석기를 제시한다. 이 방법은 측정된 노이즈로부터 전자 Wigner 분포를 재구성함으로써 양자 나노전자 시스템 내의 단일 입자 성분을 완전히 특성화할 수 있다.

ABSTRACT

Quantum nanoelectronics has entered an era where quantum electrical currents are built from single to few on-demand elementary excitations. To date however, very limited tools have been implemented to characterize them. In this work, we present a quantum current analyzer able to extract single particle excitations present within a periodic quantum electrical current without any a priori hypothesis. Our analyzer combines two-particle interferometry and signal processing to extract the relevant electron and hole wavefunctions localized around each emission period and their quantum coherence from one emission period to the other. This quantum current analyzer opens new possibilities for the characterization and control of quantum electrical currents in nanoscale conductors and for investigations of entanglement in quantum electronics down to the single electron level.

연구 동기 및 목표

• 전자 상태에 대한 사전 가정 없이도 양자 전류의 전체 단일 입자 성분을 특성화하는 방법을 개발하는 것.
• 실험적으로 측정된 노이즈 데이터로부터 전자 및 정공 웨이브패킷, 특히 방출 주기 간의 양자 얽힘을 추출하는 것.
• 이중입자 간섭계 설정에서 초과 전류 노이즈로부터 전자 Wigner 분포를 재구성하는 것.
• Wigner 분포에 대한 경계를 통해 양자적 및 준고전적 전류를 정량적으로 분석하는 것.
• 단일 전자 수준에서 고체 상태 전자 시스템에서의 얽힘 및 양자광학 현상을 탐색할 수 있는 도구를 제공하는 것.

제안 방법

• 두께가 두꺼운 전자 기체에서 ν=2 조건 하에 존재하는 양자 점접촉을 기반으로 한 이중입자 간섭계를 사용하며, 비율 분할기를 통해 상태 겹침을 측정한다.
• 소스의 상태가 켜졌을 때와 꺼졌을 때 간의 초과 노이즈 ΔS를 측정하여 Wigner 분포에 대한 소스 기여도를 분리한다.
• 측정된 초과 노이즈를 Wiener 역디컨볼루션하여 전자 Wigner 분포 W^(e)(t,ω)를 재구성하며, 기기의 응답 및 노이즈를 보정한다.
• 푸리에 기반 알고리즘을 통해 재구성된 Wigner 함수를 ω±nπf≥0 및 ≤0 조건에 따라 전자 및 정공 영역로 투영하여 단일 입자 기여도를 분리한다.
• 재구성된 상관 함수 Δ₀𝒢^(e)(t,t′)의 정확한 대각화를 수행하여 플로케트 유사 웨이브패킷(전자 및 정공의 신호 원자)을 추출하며, 시간 분산 최소화 기법을 통해 위상 모호성을 해결한다.
• 결과로 얻어진 고유벡터로부터 전자 및 정공 웨이브패킷을 재구성하고, 확률 스펙트럼으로부터 위상 함수 g^(e)/h(l)를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주기적인 양자 전류의 전체 단일 입자 성분을 특정 입력 상태에 대한 사전 가정 없이 실험 데이터로부터 추출할 수 있는가?
• RQ2 주기적인 양자 전류의 Wigner 분포로부터 전자 및 정공 웨이브패킷을 어떻게 재구성할 수 있는가?
• RQ3 방출 주기 간의 양자 얽힘이 Wigner 분포의 구조에 미치는 역할은 무엇인가?
• RQ4 고전적 경계(0≤W^(e)≤1)를 벗어난 변화는 전자 이동에서 양자 영역을 식별하는 데 어떻게 활용될 수 있는가?
• RQ5 이중입자 간섭계와 신호 처리를 어떻게 조합하여 나노스케일 도체에서 비고전적 전자 상태를 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 주파수 해상도 δω ≈ 0.19 μeV/ħ로 측정된 초과 노이즈로부터 전자 Wigner 분포 W^(e)(t,ω)가 성공적으로 재구성되었다.
• 이중입자 간섭계에서의 실험 데이터만을 사용하여 사전 가정 없이 전자 및 정공 웨이브패킷을 추출하는 데 성공하였다.
• 재구성된 Wigner 분포는 고전적 경계(0≤W^(e)≤1)를 벗어난 변화를 보이며, 전류의 양자적 성격을 확인하였다.
• 시간 분산 최소화 기법을 통해 위상 모호성을 해결하고 잘 국소화된 웨이브패킷을 얻었으며, 전자 및 정공 웨이브패킷을 재구성하였다.
• 재구성된 g^(e)/h(l) 함수를 통해 방출 주기 간의 지속적인 양자 얽힘이 정량화되었으며, 주기 간의 양자적 얽힘의 지속성이 확인되었다.
• 영역 기반 필터링과 행렬 대각화를 통해 Wigner 분포에서 순수 전자 및 순수 정공 기여도를 성공적으로 분리하였다.