量子点体系中的自旋输运动力学：基于自旋分辨的全计数统计研究

Quantum dot systems are very promising candidate devices for manipulating spin qubits, and have attracted wide attention both theorically and experimentally. The study of spin transport characteristics in quantum dot systems is essential to get deep understanding of spin dynamics, spin transport mechanisms, as well as some fundamental problems involved in the field of solid-state quantum information. We thus propose to study the full counting statistics of spin transport through quantum dot systems, with focus on the following aspects. (1) Derive a spin-resolved non-Markovian quantum master equation based on the quantum dissipation theory. Establish the framework for spin-resolved full counting statistics, which serves as a theoretical basis for studying the fluctuations in spin transport through real quantum dot systems. (2) Investigate the relation between non-Markovian effect and the parameters of the dissipative environments (such as transport electrodes, heat bath, etc.), and analyze the unique features of spin dynamics induced by the non-Markovian effect in various quantum dot systems. (3) Study higher cumulants and mutual spin correlations via spin-resolved full counting statistics. Identify the relation between higher order spin fluctuations and spin qubit dephasing, relaxation, and other related mechanisms. Reveal the important impacts of these physical mechanisms on the dynamics of spin under transport, particularly, the new effects arising from the non-Markovian process.

量子点系统是操控自旋量子比特的有效载体，也是实验和理论上重点关注的研究对象。量子点体系中自旋输运特性的研究有助于我们深入了解自旋动力学和输运机制，加深对固态量子信息一些基本问题的理解。本项目拟针对量子点体系中的自旋输运，开展全计数统计研究，主要内容包括以下几个方面。（1）在量子耗散理论的基础上，发展自旋分辨的非马尔可夫量子主方程，并建立自旋分辨的全计数统计理论，为研究真实自旋量子点输运系统的涨落特性提供理论依据。（2）考察非马尔可夫效应与耗散环境（输运电极、外界热库等）参数间的关系，分析不同量子点体系中非马尔可夫效应所导致的独特的自旋输运动力学特性。（3）研究自旋输运全计数统计中的高阶涨落特性和不同自旋分量流的交叉关联，确定自旋高阶涨落关联与自旋量子比特退相干和驰豫等相关物理机制之间的关系，进一步了解这些机制对自旋输运动力学的影响，尤其是非马尔可夫过程所产生的新效应。

固态量子点体系中自旋输运特性的研究，对于深入了解自旋动力学特性和内在的自旋输运机制，以及发展自旋电子学器件具有重要的现实意义。通过本项目的研究，我们发展了自旋分辨的非马尔可夫量子主方程，并建立了自旋分辨的全计数统计理论，为研究真实量子点输运系统的自旋涨落特性提供了理论方法。具体而言，我们分析了耗散环境（输运电极、外界热库等）与非马尔可夫效应之间的定量关系，针对单量子点和耦合量子点体系中的自旋输运，开展了全计数统计研究，包含高阶涨落特性和不同自旋分量流的交叉关联等，从全计数统计的分析中发现了新的自旋阻塞效应，以及独特的自旋输运过程中的“聚束”和“反聚束”行为，这些现象和行为与体系内部的能量尺度以及体系—环境耦合有着密切的关联，从而为介观纳米体系中自旋输运特性的研究提供了一个新的独特的视角。此外，针对两能级量子体系（自旋），研究了它的测量问题和测量输出特性（包括测量电流和散粒噪声等），以及噪声对退相干特性的影响；进一步研究了两能级（自旋）量子体系的反馈控制问题，发展了全新的细致平衡守恒的量子轨道理论，并在此基础上提出了两能级量子体系的反馈控制方案，该方案能够最大程度上保持自旋的相干性和纯度，为自旋量子比特的控制提供了新的途径和理论方法。