[论文解读] Extracting single electron wavefunctions from a quantum electrical current

Arthur Marguerite, Benjamin Roussel+11 more|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2017

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的片上量子电流分析仪，利用双费米子干涉测量与信号处理技术，从周期性量子电流中无先验假设地提取单电子与空穴波函数及其量子相干性。该方法通过测量噪声重建电子Wigner分布，从而实现对量子纳米电子系统中单粒子内容的完整表征。

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.

研究动机与目标

• 开发一种无需对电子态作先验假设的方法，以表征周期性量子电流的完整单粒子内容。
• 从实验测得的噪声数据中提取电子与空穴波函数，包括其在发射周期间的量子相干性。
• 在双费米子干涉仪装置中，通过过剩电流噪声重建电子Wigner分布。
• 通过Wigner分布的边界条件，实现对量子与准经典电流的定量分析。
• 提供一种工具，用于在单电子尺度下探测固态电子系统中的纠缠与量子光学现象。

提出的方法

• 该方法基于二维电子气在ν=2处的量子点接触构建双费米子干涉仪，利用分束器测量态重叠。
• 通过测量干涉仪输出在源开启与关闭状态下的过剩噪声ΔS，隔离源对Wigner分布的贡献。
• 通过维纳去卷积法重构Wigner分布W^(e)(t,ω)，校正仪器响应与噪声影响。
• 基于傅里叶的算法将重构的Wigner函数投影到电子与空穴象限（分别满足ω±nπf≥0与≤0），以分离单粒子贡献。
• 对投影后的关联函数Δ₀𝒢^(e)(t,t′)进行精确对角化，以提取类似Floquet的波包（电子与空穴信号的原子态），并通过最小化时间展宽解决相位模糊性。
• 从所得特征向量中重构电子与空穴波函数，并基于概率谱计算相干函数g^(e)/h(l)。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不假设特定输入态的前提下，从未知实验数据中提取量子电流的完整单粒子内容？
• RQ2 如何从周期性量子电流的Wigner分布中重构电子与空穴波函数？
• RQ3 发射周期间的量子相干性在决定Wigner分布结构中起什么作用？
• RQ4 如何利用Wigner分布偏离经典边界（0≤W^(e)≤1）的偏差来识别电子输运中的量子行为？
• RQ5 双费米子干涉测量与信号处理在多大程度上可结合使用，以从纳米尺度导体中提取非经典电子态？

主要发现

• 成功从测量的过剩噪声中以δω ≈ 0.19 μeV/ħ的频率分辨率重构出Wigner分布W^(e)(t,ω)。
• 该方法仅依赖双费米子干涉仪的实验数据，无需先验假设，即实现了从量子电流中提取电子与空穴波函数。
• 重构的Wigner分布显示出对经典边界（0≤W^(e)≤1）的偏离，证实了电流的量子本质。
• 通过时间展宽最小化方法重构电子与空穴波函数，解决了相位模糊性，获得了高度局域化的波包。
• 通过重构的g^(e)/h(l)函数量化了发射周期间的相干性，揭示了跨周期的持久量子相干性。
• 该算法成功利用基于象限的滤波与矩阵对角化，分离出Wigner分布中纯电子与纯空穴的贡献。