超导Cooper对分裂及非局域纠缠电子对研究

Cooper pairs in superconductors have intrinsic spin entanglement. Cooper pair splitting in real space can achieve non-local entangled electron pairs. The controllable realization of non-local entangled electron pairs, and the measurements on them, can verify the Bell inequality in Fermionic systems, which are crucial for answering fundamental questions in quantum mechanics. In the meantime, the non-local entangled electron pairs can correlate with electronic based quantum bits, and transmit quantum information between them. The applicant has been theoretically predicted that the split non-local entangled electron pairs induce an anomalous superconducting quantum interference, and also propose a theoretical plan for utilizing the non-local entanglement to detect the Majorana bound states. Based on these achievements, this project will study the Cooper pair splitting Thouless pump, and investigate the method for non-local entanglement teleportation with Majorana bound states. The results of this project will provide theoretical guidance for achieving a single non-local entangled electron pair, and push the development of the field of Cooper pair splitting and non-local entanglement.

超导体中的Cooper对具有本征的自旋纠缠，将Cooper对在实空间分裂开就可以产生非局域纠缠的电子对。这种非局域纠缠电子对的可控产生，可以用于验证费米子系统的Bell不等式，对于量子力学基本问题的研究有重要意义。同时，非局域纠缠电子对可以与各类电子系统的量子比特耦合，实现量子信息传输，对于量子信息和量子计算有重要作用。项目申请人理论预言了由非局域纠缠电子对导致的反常超导量子干涉现象，提出了利用非局域纠缠来研究Majorana束缚态的理论方案。本项目拟在这些成果的基础上，进一步研究Cooper对分裂的量子泵浦现象，以及非局域纠缠电子对在拓扑超导体中的teleportation效应。为实现量子化的非局域纠缠电子源提供理论指导，为非局域电子纠缠的拓扑保护提供理论基础，推动Cooper对分裂及非局域纠缠电子对领域的进展。

超导体系的主要特点，就是具有非局域纠缠的Cooper对。在一些特别的超导系统中，这些Cooper对会展示出非常特别的物理性质，例如在实空间的分裂行为。这些特别的Cooper对性质，除了在验证费米子系统的Bell不等式等量子物理的基础研究方面具有显著价值，在超导量子计算和量子信息传递方面也有巨大的潜力，因此吸引了广泛的兴趣。.在本项目中，我们研究了奇异的Cooper对分裂所带来的新奇物理效应，包含由Cooper对在实空间劈裂带来的量子泵浦效应，由Majorana零模进行拓扑保护的Cooper对分裂行为、由Cooper对分裂隧穿导致的分数约瑟夫森效应，以及由Cooper对的非零角动量带来的超导准粒子几何效应。我们首先探索了由Cooper对分裂导致的量子泵浦行为，以及这些泵浦行为对于量子点的影响，这对于理解Cooper对分裂的物理有重要价值。同时我们研究了由Majorana束缚态来进行拓扑保护的Cooper对分裂行为，以及这种行为对于Majorana束缚态组成的拓扑量子比特的调控，这提供了对于拓扑量子比特的实际的快速量子门的理论设计。对于量子计算的实现有重要价值。接下来我们研究了Cooper对分裂成单个电子，然后隧穿所导致的分数约瑟夫森效应。我们提出了一个独特的Quantum Resistively and Capacitively Shunted Junction模型来描述这个现象，并探索了这种约瑟夫森效应的输运性质，这对于理解分数约瑟夫森效应有重要价值。最后，我们探索了非零角动量的Cooper对，导致的奇异超导几何效应，并指出了这些几何效应在输运和电子谱等实验中的影响，这个工作在超导领域开辟了一个研究方向。我们的这一系列工作，加强了对于Cooper对奇异性质的物理理解，深入探究了Cooper对的非局域纠缠的现象，也有助于拓扑量子计算中的实际应用。