[论文解读] Floquet vortex states induced by light carrying the orbital angular momentum

Hwanmun Kim, Hossein Dehghani+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 64被引用 6

一句话总结

本文提出了一种通过携带轨道角动量（OAM）的圆偏振光照射二维半导体，实现可调谐电子Floquet涡旋态的方法。光的OAM在电子能谱中诱导出涡旋状结构，产生具有线性色散关系和由光的涡旋度控制的能量分裂的局域化、拓扑保护态。关键贡献在于构建了一个高度可调谐的量子态工程平台，通过光学控制涡旋态实现了单量子比特和双量子比特操作的方案。

ABSTRACT

We propose a scheme to create an electronic Floquet vortex state by irradiating a two-dimensional semiconductor with the laser light carrying non-zero orbital angular momentum. We analytically and numerically study the properties of the Floquet vortex states, with the methods analogous to the ones previously applied to the analysis of superconducting vortex states. We show that such Floquet vortex states are similar to the superconducting vortex states, and they exhibit a wide range of tunability. To illustrate the potential utility of such tunability, we show how such states could be used for quantum state engineering.

研究动机与目标

• 开发一种利用具有非零轨道角动量（OAM）的光在二维半导体中产生拓扑保护电子涡旋态的机制。
• 通过调控光学涡旋的尺寸和涡旋度，探索这些Floquet涡旋态的可调性。
• 通过构建基于光学操控涡旋态的单量子比特和双量子比特操作方案，展示其在量子信息处理中的实用性。

提出的方法

• 使用带有带隙的二维半导体哈密顿量，通过最小耦合方式将时间周期性激光场（携带OAM）引入系统。
• 在弱场和小失谐区域应用旋转波近似（RWA），推导出具有位置依赖Rabi耦合的有效时间无关哈密顿量。
• 利用贝塞尔函数基组求解有效哈密顿量的径向薛定谔方程，实现低能谱的对角化。
• 通过投影到最低能态并求解导带与价带之间的杂化作用，构建一个4N×4N的有效哈密顿量矩阵。
• 利用施里弗-沃尔夫变换，在弱隧穿和强局域相互作用区域推导出有效双量子比特哈密顿量。
• 设计一种动态序列，通过调控两个光学涡旋之间的距离，实现通过时变隧穿的受控-SWAP类门。

实验结果

研究问题

• RQ1 当二维半导体被携带轨道角动量的光照射时，Floquet涡旋态如何产生？
• RQ2 光的涡旋度（每个光子的OAM）与不同涡旋态分支数量之间存在何种关系？
• RQ3 能否通过调控光学涡旋的尺寸和强度分布来调节Floquet涡旋态的能量谱？
• RQ4 这些可调谐涡旋态如何用于实现单量子比特和双量子比特量子操作？
• RQ5 非线性在涡旋态能级结构中起什么作用，它如何实现孤立的量子比特操作？

主要发现

• Floquet涡旋态分支的数量由入射光的涡旋度m直接决定，在杂化能隙中出现|m|个分支。
• 涡旋态局域于光学涡旋核心附近，局域长度由光学光束轮廓的尺寸ξ控制。
• 涡旋态的能量谱在零能附近呈现线性色散关系，同一分支内相邻态之间的能量分裂为ω₀。
• 后续涡旋态之间非均匀的能量间距ΔEvor确保了可选择的量子比特对能与其它态分离，从而实现鲁棒的量子比特操作。
• 通过动态双涡旋序列，可借助时变隧穿实现受控-SWAP类门，其有效哈密顿量等价于经σz旋转 conjugated 的√SWAP门。
• 该系统支持一个可调谐的量子平台，其中光学涡旋尺寸作为调控涡旋态谱非线性的旋钮，实现对量子态的精确工程。