[论文解读] Quantum optical interface for gate-controlled spintronic devices

Hans‐Andreas Engel, Jacob M. Taylor+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2006

Quantum and electron transport phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出一种混合量子系统，通过电容耦合或电子隧穿，将门定义的半导体量子点与光学活性的自组装量子点（SAQDs）相干耦合，实现对自旋量子比特的光学控制与读出。主要贡献在于提出一种可扩展的量子信息处理架构，具备相干自旋-光子纠缠与高保真度自旋转移，保真度误差小于10⁻⁴，自旋-光子纠缠误差不超过5%。

ABSTRACT

We describe an opto-electronic structure in which charge and spin degrees of freedom in electrical gate-defined quantum dots can be coherently coupled to light. This is achieved via electron-electron interaction or via electron tunneling into a proximal self-assembled quantum dot. We illustrate potential applications of this approach by considering several quantum control techniques, including optical read-out of gate-controlled semiconductor quantum bits and controlled generation of entangled photon-spin pairs.

研究动机与目标

• 为解决门定义量子点缺乏光学接入的问题，该问题限制了量子控制与可扩展性。
• 利用附近光学活性的自组装量子点（SAQDs）实现对半导体量子点中自旋量子比特的光学读出与操控。
• 开发一种结合门定义量子点电控能力与SAQDs光学接入的可扩展架构，用于量子信息应用。
• 实现电子自由度与光子自由度之间的相干自旋-光子纠缠与高保真度自旋转移。

提出的方法

• 采用倒置的GaAs/AlGaAs异质结构，其中包含二维电子气（2DEG）以及在GaAs外延生长过程中自组装形成的InAs量子点（SAQDs）。
• 通过门定义量子点与SAQDs之间的电容耦合，根据门定义量子点的电荷态调节SAQD激子跃迁频率。
• 利用门定义量子点中的电子隧穿至邻近SAQDs，实现相干自旋-光子耦合。
• 采用共振光致发光或差分透射测量，通过局部电场引起的斯塔克位移检测自旋态。
• 应用条件性光学方案，通过光子探测实现远程自旋态的纠缠，成功概率为η²/4。
• 分析自旋-光子纠缠中的误差源，包括禁戒跃迁、声子退相干、隧穿过程与频率失配，估算总误差不超过5%。

实验结果

研究问题

• RQ1 门定义的量子点能否通过与附近自组装量子点的相互作用，实现与光场的相干耦合？
• RQ2 通过电容耦合或隧穿实现门定义量子点与SAQDs之间相干自旋转移的保真度如何？
• RQ3 能否以高效率与低保真度误差实现对门定义量子点中自旋态的光学读出？
• RQ4 在该混合系统中，生成与检测自旋-光子纠缠的主要误差通道是什么？
• RQ5 该架构能否通过量子点寄存器间的光学互连，实现可扩展的量子计算与通信？

主要发现

• 在典型参数下，门定义量子点与SAQDs之间相干自旋转移的保真度误差小于10⁻⁴，表明操作具有高保真度。
• 远程自旋-光子纠缠的生成误差估计为≤5%，主要来源于禁戒跃迁（≤1%）与频率失配（1%）。
• 电容耦合可引起约20 μeV的斯塔克位移每kV/cm²，实现对电荷态的光学状态依赖检测。
• 该方案支持通过差分透射或光致发光实现自旋量子比特的光学读出，实现快速且鲁棒的测量。
• 系统可实现条件性纠缠光子-自旋对的生成，成功概率为η²/4，可通过重复尝试实现可扩展性。
• 该架构支持在二维电子气系统中实现局部自旋探测，例如检测自旋霍尔效应引起的边缘自旋极化。