量子点耦合系统的输运及耗散动力学

This project will theoretically investigate the behaviors of quantum transport and quantum dissipation in the coupled quantum dot systems using self-consistent Born master equation.(1)Starting from self-consistent Born master equation, we plan to construct full counting statistics theory and large-deviation method, making them to be applicable for arbitrary bias voltages and for dealing with cotunneling process.(2)We will investigate transport characteristics of various quantum dot systems. We focus on the hybrid system consisting of quantum dots and nanowire(a pair of majorana fermions are anticipated to appear under proper conditions). We expect to find some special effects which can be easily detectable, thus providing possible effective experimental schemes for the detection of majorana fermions.(3)We will study the dynamical behaviors of quantum dissipation for both electron charge qubits and spin qubits in coupled quantum dot systems, and analyze the influences of non-markov effects on coherence and entanglement. Based on the research result, we will discuss how to protect quantum coherence and entanglement from decoherence. For the combined system in which conventional qubit (charge or spin) and topological qubit coexist, we expect to find some special effects induced by the nonlocal topological qubit. We expect that the results of this project may provide future references for the designs and control of quantum dots related devices, and also give an effective method for studying current fluctuation.

本项目基于我们最近发展的自洽波恩主方程方法，拟针对量子点相关耦合体系的输运及耗散性质开展系统的理论研究。 （1）在新的主方程基础上，重新建立全计数统计理论及大偏离分析方法，使之可以研究任意偏压和协同隧穿情况下的电流涨落性质。 （2）开展各种量子点耦合体系的输运特性研究。着重研究量子点与纳米线（在其中预期可诱导出Majorana费米子）相耦合的杂化体系，期待发现新奇的、可探测的输运性质。 （3）研究量子点耦合系统中电荷及自旋量子比特的耗散动力学行为，分析非马尔科夫（Non-Markov）效应对相干和纠缠的影响，进一步探讨控制退相干、退纠缠的方法。特别研究常规量子比特（电荷或自旋）与拓扑量子比特共存系统中的耗散行为，期待发现由拓扑量子比特的非局域性所导致的特殊效应。我们预期本项目的研究成果不仅能对量子点相关器件的设计和控制有借鉴意义，而且还能提供一个有效的研究电流涨落的理论方法。

（1）在二阶近似量子主方程基础上，构造了处理量子输运和量子耗散问题的自洽波恩近似主方程，并利用改进的主方程方法研究了典型量子点耦合体系的电子输运性质。自洽波恩主方程方法处理输运问题不仅能严格得到任意电压下自由系统的输运电流结果，而且能处理协同隧穿问题，刻画输运体系中由库仑相互作用所导致的非平衡近藤效应。在自洽波恩主方程基础上，构造了粒子数分辨的主方程，并用于噪声谱的分析，在单能级安德森模型输运系统中，发现非平衡近藤效应可以在噪声谱中得以体现，这为实验上探测此效应提供了一个有效的物理表征。利用新的主方程研究了由并联双量子点所构成的A-B环的输运特性，得到了任意偏压和任意库仑排斥的输运电流，分析了产生电流开关效应所需的物理条件。.（2）针对两个量子点分别与拓扑纳米线两端耦合的杂化系统，分析了拓扑纳米线两端产生的马约拉纳费米子对所诱导出的两个量子点之间的量子关联。发现即使马约拉纳费米子对其中没有直接相互作用，只依靠其间存在的内禀非局域性，仍可以诱导出两个分离量子点之间的量子关联，不过此时所诱发的量子关联只能由量子失谐来刻画，而非量子纠缠，这从一个侧面证实，量子失谐有内在的物理意义而非只是数学上的概念。而且我们还设计了一个实验方案来探测由这种马约拉纳费米子对本身的非局域性所诱导的量子失谐，这为探测马约拉纳费米子提供了一个可行的实验方案。在量子点与拓扑纳米线耦合的系统中，我们还提出了一个量子信息转移的方案，可以实现量子点中编码在电子占据状态中的普通量子比特和半导体纳米线中编码在非局域马约拉纳费米子对中的拓扑量子比特之间的量子信息转移。