[论文解读] `Measurement-free' quantum feedback control of nuclear field squeezing in quantum dot

Wang Yao|arXiv (Cornell University)|May 15, 2009

Quantum and electron transport phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出了一种在双量子点系统中无需测量的量子反馈控制机制，该机制利用一阶与二阶超精细过程之间的量子干涉，稳定核自旋环境。通过在核场涨落（特别是纵向场梯度和横向场）上引入负反馈，使单重态-三重态量子比特的退相干时间提升至微秒量级，而无需外部测量。

ABSTRACT

In a coupled double quantum dot system, we present a theory for the interplay between electron and nuclear spins when the two-electron singlet state is brought into resonance with one triplet state in moderate external magnetic field. We show that the quantum interference between first order and second order hyperfine processes can lead to a feedback mechanism for manipulating the nuclear hyperfine fields. In a uniform external field, positive and negative feedback controls can be realized for the gradient of the longitudinal hyperfine field as well as the average transverse hyperfine field in the double dot. The negative feedback which suppresses fluctuations in the longitudinal nuclear field gradient can enhance the decoherence time of singlet-triplet qubit to microsecond regime. We discuss the possibility of enhancing the decoherence time of each individual spin in a cluster of dots using the negative feedback control on the transverse nuclear field.

研究动机与目标

• 开发一种在双量子点中无需量子测量即可控制核自旋环境的反馈机制。
• 理解一阶与二阶超精细过程之间的量子干涉如何实现对核场的调控。
• 抑制纵向超精细场梯度的涨落，以延长量子比特退相干时间。
• 探索将该反馈机制扩展至横向核场，以实现在多量子点簇中对单个自旋的稳定。

提出的方法

• 在中等外部磁场下，对双量子点中电子-核自旋动力学进行理论分析。
• 识别一阶与二阶超精细过程之间的量子干涉作为反馈的核心机制。
• 采用有效哈密顿量方法，模拟电子单重态与三重态及核自旋 bath 之间的相互作用。
• 通过分析超精细耦合中的干涉项，推导出对纵向场梯度和横向场的反馈条件。
• 通过数值与解析方法评估在负反馈条件下退相干时间的增强效果。
• 将该反馈机制扩展至量子点簇，通过横向场控制实现对单个自旋的稳定。

实验结果

研究问题

• RQ1 双量子点中一阶与二阶超精细过程之间的量子干涉能否在无测量条件下产生内在反馈？
• RQ2 一阶与二阶超精细过程之间的相互作用如何影响核场的稳定性？
• RQ3 对纵向超精细场梯度施加负反馈对量子比特退相干时间有何影响？
• RQ4 能否利用横向核场反馈实现对多量子点簇中单个自旋的稳定？
• RQ5 在何种条件下反馈控制可增强单重态-三重态量子比特的相干性？

主要发现

• 一阶与二阶超精细过程之间的量子干涉可在无测量条件下实现对核场的内在反馈控制。
• 对纵向超精细场梯度施加负反馈可抑制其涨落，使单重态-三重态量子比特的退相干时间延长至微秒量级。
• 纵向超精细场梯度与平均横向超精细场均可实现正反馈与负反馈。
• 该反馈机制在均匀外部磁场下具有鲁棒性，可在实验可实现的参数范围内实现控制。
• 将负反馈扩展至横向核场，为在多量子点簇中稳定单个自旋提供了可行路径。
• 该方案无需投影测量，可保持量子相干性，实现实时稳定。