中國科大在半導體量子點系統(tǒng)中實現(xiàn)量子干涉與相干俘獲

圖1. (a) 雙量子點結(jié)構(gòu)掃描電子顯微鏡圖片，橫截面示意圖在插圖中展示。(b) 雙量子點系統(tǒng)中單重態(tài)和三重態(tài)能級以及輸運電流形成示意圖。(c) 縱向驅(qū)動下輸運電流隨著外磁場B與驅(qū)動頻率的關(guān)系。從測量結(jié)果中可以明顯地觀察到多組共振譜線，這樣的奇偶效應(yīng)是縱向耦合帶來調(diào)制效應(yīng)的直接證據(jù)。

中國科大郭光燦院士團隊在半導體量子點的量子態(tài)調(diào)控研究中取得重要進展。該團隊郭國平教授、李海歐教授與中國科學院物理研究所張建軍研究員以及本源量子等合作，在鍺硅雙量子點系統(tǒng)中實現(xiàn)了量子干涉和相干俘獲(CPT)。實驗上通過電場調(diào)控雙量子點系統(tǒng)中的空穴自旋態(tài)，不僅觀察到了在驅(qū)動和非驅(qū)動條件下的CPT，還揭示了縱向驅(qū)動場對CPT的重要調(diào)制效應(yīng)(暗態(tài)調(diào)控和奇偶效應(yīng))。該工作對基于半導體量子點系統(tǒng)的量子模擬和量子計算具有重要的指導意義。研究成果以“Quantum Interference and Coherent Population Trapping in a Double Quantum Dot” 為題，于8月12日在線發(fā)表在國際納米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

量子干涉是量子力學中波粒二象性的自然表現(xiàn)形式，通常出現(xiàn)在原子尺度上。量子干涉的一個重要現(xiàn)象是CPT，它是由不同躍遷路徑之間干涉相消引起的，最早在光學系統(tǒng)的三能級原子中被觀察到。在這樣的三能級系統(tǒng)中，兩個狀態(tài)與第三個中間狀態(tài)耦合，當驅(qū)動場的頻率和相位被精確調(diào)諧時，這兩個狀態(tài)就會形成與中間態(tài)解耦的疊加態(tài)，這樣的疊加態(tài)被稱為“暗態(tài)”。因為處于該狀態(tài)的系統(tǒng)不會對探測場產(chǎn)生響應(yīng)，導致出現(xiàn)電磁感應(yīng)透明等有趣的現(xiàn)象。這個現(xiàn)象已經(jīng)被廣泛研究并在諸如光學、超導電路和量子網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。進一步，通過絕熱調(diào)節(jié)暗態(tài)的控制參數(shù)，可以實現(xiàn)快速狀態(tài)初始化和受激拉曼絕熱通道過程(STIRAP)，這在量子信息處理中具有重要意義。

在這項研究中，研究人員展示了如何在半導體雙量子點系統(tǒng)中實現(xiàn)CPT。與傳統(tǒng)的三能級原子系統(tǒng)不同，在雙量子點系統(tǒng)中無需外部驅(qū)動場即可實現(xiàn)內(nèi)在的CPT過程。通過測量泡利自旋阻塞狀態(tài)下的漏電流，研究人員在無磁場條件下觀察到了顯著的電流抑制現(xiàn)象，這表明暗態(tài)的形成和CPT的發(fā)生。進一步，研究人員通過縱向驅(qū)動雙量子點系統(tǒng)，展示了選擇性地創(chuàng)建暗態(tài)及其相關(guān)CPT過程的調(diào)控能力。

該研究還深入探討了縱向驅(qū)動場引發(fā)的奇偶效應(yīng)。研究人員觀察到，當系統(tǒng)的驅(qū)動頻率滿足一定條件時，出現(xiàn)了奇數(shù)和偶數(shù)階諧波對應(yīng)的電流增強或抑制現(xiàn)象。這種效應(yīng)為理解和應(yīng)用CPT提供了新的視角。此外，研究表明，通過調(diào)節(jié)縱向驅(qū)動場，CPT的信號強度和寬度可以得到有效調(diào)控，這為基于CPT的量子門操作提供了一種新的途徑。

該研究工作表明，半導體量子點系統(tǒng)不僅是理解量子干涉現(xiàn)象的理想平臺，也是實現(xiàn)高精度量子信息處理的有力工具。研究工作清晰地展示了縱向驅(qū)動雙量子點系統(tǒng)的潛在可調(diào)性，開啟了基于STIRAP的量子門操作的新途徑。有望在未來基于半導體量子點的量子計算和量子模擬技術(shù)的實際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

中國科學院量子信息重點實驗室博士生周圓為論文的第一作者。李海歐教授和郭國平教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院以及安徽省的資助。李海歐教授得到了中國科學技術(shù)大學仲英青年學者項目的資助。