[论文解读] A solid-state spin coherent photo-detector for quantum communication

R. B. Vrijen, Eli Yablonovitch|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2000

Quantum Computing Algorithms and Architecture被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种固态自旋相干光电探测器，通过应变和磁场偏置的半导体结构中的光学选择定则，将光子偏振转移至电子自旋。通过消除价带简并性，该器件实现了量子信息的相干转移，避免了不必要的纠缠，从而能够存储和处理电子自旋，适用于量子通信应用。

ABSTRACT

We describe how quantum information may be transferred from photon polarization to electron spin in a semiconductor device. The transfer of quantum information relies on selection rules for optical transitions, such that two superposed photon polarizations excite two superposed spin states. Entanglement of the electron spin state with the spin state of the remaining hole is prevented by using a single, non-degenerate initial valence band. The degeneracy of the valence band is lifted by the combination of strain and a static magnetic field. We give a detailed description of a semiconductor structure that transfers photon polarization to electron spin coherently, and allows electron spins to be stored and to be made available for quantum information processing.

研究动机与目标

• 在半导体器件中实现光子偏振到电子自旋的相干量子信息转移。
• 通过消除价带简并性，防止电子自旋与空穴之间的非期望纠缠。
• 设计一种能够存储电子自旋以供后续量子信息处理的半导体结构。
• 利用光学选择定则及外部场（应变和磁场）实现相干自旋初始化。
• 提供一种可扩展的平台，用于基于固态自旋系统的量子通信。

提出的方法

• 利用半导体异质结构中的光学选择定则，将特定光子偏振耦合至电子自旋的叠加态。
• 施加单轴应变和静态磁场，以消除价带中的简并性，确保初始态非简并。
• 采用单一非简并价带，以避免光学激发过程中与空穴自旋的纠缠。
• 通过精确的能带工程设计量子阱结构，以维持自旋相干性并实现有效控制。
• 采用偏振选择性光学激发，将电子自旋初始化为相干叠加态。
• 实现电子自旋态的长期存储，以供后续检索和处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能在固态半导体器件中实现光子偏振到电子自旋的相干转移？
• RQ2 如何通过外部手段消除价带简并性，以防止与空穴自旋的非期望纠缠？
• RQ3 何种结构配置与外部场组合可实现鲁棒且相干的自旋初始化？
• RQ4 是否能可靠地访问存储的电子自旋以用于量子信息处理？
• RQ5 是否可行构建一种基于自旋态的可扩展固态平台，用于量子通信？

主要发现

• 该器件通过非简并价带中的选择定则，实现了光子偏振到电子自旋的相干转移。
• 应变与磁场共同作用消除了价带简并性，防止了与空穴自旋的纠缠。
• 电子自旋态被相干初始化，并可长期存储以供后续量子操作使用。
• 半导体结构支持稳定、依赖偏振的自旋初始化，保真度高。
• 该系统实现了光学输入、自旋存储与后续处理在单一固态器件中的集成。
• 该方法为基于半导体自旋量子比特的量子通信提供了可扩展的路径。