中國(guó)科大在半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)量子干涉與相干俘獲

圖1. (a) 雙量子點(diǎn)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(diǎn)系統(tǒng)中單重態(tài)和三重態(tài)能級(jí)以及輸運(yùn)電流形成示意圖。(c) 縱向驅(qū)動(dòng)下輸運(yùn)電流隨著外磁場(chǎng)B與驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系。從測(cè)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(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在半導(dǎo)體量子點(diǎn)的量子態(tài)調(diào)控研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)郭國(guó)平教授、李海歐教授與中國(guó)科學(xué)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(diǎn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了量子干涉和相干俘獲(CPT)。實(shí)驗(yàn)上通過電場(chǎng)調(diào)控雙量子點(diǎn)系統(tǒng)中的空穴自旋態(tài)，不僅觀察到了在驅(qū)動(dòng)和非驅(qū)動(dòng)條件下的CPT，還揭示了縱向驅(qū)動(dòng)場(chǎng)對(duì)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(duì)基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)的量子模擬和量子計(jì)算具有重要的指導(dǎo)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(guó)際納米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

量子干涉是量子力學(xué)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(gè)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(xué)系統(tǒng)的三能級(jí)原子中被觀察到。在這樣的三能級(jí)系統(tǒng)中，兩個(gè)狀態(tài)與第三個(gè)中間狀態(tài)耦合，當(dāng)驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的頻率和相位被精確調(diào)諧時(shí)，這兩個(gè)狀態(tài)就會(huì)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?yàn)樘幱谠摖顟B(tài)的系統(tǒng)不會(huì)對(duì)探測(cè)場(chǎng)產(chǎn)生響應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)電磁感應(yīng)透明等有趣的現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象已經(jīng)被廣泛研究并在諸如光學(xué)、超導(dǎo)電路和量子網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。進(jìn)一步，通過絕熱調(diào)節(jié)暗態(tài)的控制參數(shù)，可以實(shí)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(xiàng)研究中，研究人員展示了如何在半導(dǎo)體雙量子點(diǎn)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)CPT。與傳統(tǒng)的三能級(jí)原子系統(tǒng)不同，在雙量子點(diǎn)系統(tǒng)中無需外部驅(qū)動(dòng)場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)在的CPT過程。通過測(cè)量泡利自旋阻塞狀態(tài)下的漏電流，研究人員在無磁場(chǎng)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(jìn)一步，研究人員通過縱向驅(qū)動(dòng)雙量子點(diǎn)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(dòng)場(chǎng)引發(fā)的奇偶效應(yīng)。研究人員觀察到，當(dāng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)頻率滿足一定條件時(shí)，出現(xiàn)了奇數(shù)和偶數(shù)階諧波對(duì)應(yīng)的電流增強(qiáng)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(dòng)場(chǎng)，CPT的信號(hào)強(qiáng)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(dǎo)體量子點(diǎn)系統(tǒng)不僅是理解量子干涉現(xiàn)象的理想平臺(tái)，也是實(shí)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(dòng)雙量子點(diǎn)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(dǎo)體量子點(diǎn)的量子計(jì)算和量子模擬技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士生周圓為論文的第一作者。李海歐教授和郭國(guó)平教授為論文的共同通訊作者。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院以及安徽省的資助。李海歐教授得到了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)仲英青年學(xué)者項(xiàng)目的資助。