电子自旋的非绝热操控及其在量子器件中的应用原理

Quantum control, listed in <National Guideline on Medium- and Long-Term Program for Science and Technology Development (2006-2020)>, is currently an important research line of semiconductor physics, quantum information science and technology. Control on wave function and spin in semiconductor nanostructures is one of its core issues. Recently, the applicant Dr. Yue Ban firstly applies Shortcut to Adiabaticity to spintronics, in order to realize fast spin flip in a single quantum dot [Phys. Rev. Lett. 109, 206602 (2012)]. The project studies non-adiabatic control of electron spin in semiconductor quantum dots, quantum wires, by Shortcut to Adiabaticity as well as the theories from quantum optics, mesoscopic physics and optimal control. The main goal is to achieve fast spin manipulation with high-fidelity and to optimize the external field in the realistic environment with various kinds of noise and decoherence. The project will provide important principle for designing novel quantum devices based on fast spin control.

量子调控已被列为《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》，是当前半导体物理学、量子信息科学技术的重要研究内容。半导体纳米结构中波函数调控和自旋操控正是量子调控的核心问题之一。近年来，项目申请人首次将量子绝热捷径技术应用于自旋电子学以实现单量子点中自旋的快速反转，论文发表于Phys. Rev. Lett. 109, 206602 (2012)。本项目以量子绝热捷径技术为主要研究方法，结合量子光学、介观物理、最优化控制理论，研究半导体量子点、量子线中电子自旋的非绝热控制。目标是通过量子绝热捷径技术，实现不同噪声和退相干影响下，自旋态的快速、高保真操控，并对外场进行最优化设计。本项目将为设计以电子自旋快速操控为核心的新型量子器件提供重要原理。.　　　.

本项目旨在通过实现不同噪声和退相干影响下，量子态的快速、高保真操控，并对外场进行最优化设计。本项目研究了这些非绝热控制方案在量子器件中的应用，为开发新型电子自旋器件提供重要理论依据。发表标注受本项目资助的SCI期刊论文8篇，其中包括Phys. Rev. A. 4篇，Sci. Rep.1篇,Opt. Letts.1篇,J. Appl. Phys.1篇。重点研究了半导体量子点中的电子输运、自旋操控等，取得成果如下：1、研究了半导体双量子点中电子自旋态的快速跃迁，并提出了快速制造Hadamard门等量子逻辑门的理论方案。2、研究了移动谐振子（量子点）中，通过调控自旋-轨道耦合系数和谐振子（量子点）移动路径控制自旋态的演化。3、研究了量子点中自旋态系统等一般二能级系统中的时间最优化调控问题。4、将量子绝热捷径技术运用到冷原子体系中，使用基于不变量的反控制法操控Morse势中冷原子和玻色-爱因斯坦凝聚体的量子态。还研究了考虑自旋轨道耦合的二维、三维玻色-爱因斯坦凝聚的塌缩现象。5、研究了石墨烯低维结构中电子的类光学现象，为进一步准确操控其中的量子态提供重要的理论准备。我们的研究提出了半导体量子点中电子电荷态/自旋态绝热捷径操控的一系列方案，为半导体自旋电子学中自旋的快速相干控制提供新的思路和方法，丰富了量子调控的研究内容。