量子计算中第四主族半导体量子点系统的相干调控

本项目将从理论上研究在第四主族半导体量子点中进行量子计算的问题。第四主族材料有核自旋为零的同位素，能够实现长的电子自旋相干时间，但导带中多谷结构的存在往往会导致问题复杂化。目前还不存在操纵谷自由度的办法。我们将深入研究多谷半导体量子点中量子比特的相干调控，确定在扩展Hilbert空间中进行量子比特操纵的条件，并设计一套新颖的基于自旋和谷自由度的普适量子门。具体内容：1）研究谷耦合的机制，包括超精细相互作用、声子、界面粗糙度和静电栅极，以及基于库仑相互作用或量子电动力学的比特纠缠；2）谷自由度对两个比特操纵的影响，探讨是否可以利用库仑相互作用和量子电动力学来耦合不同谷量子态；3）探讨谷内和谷间退相干的问题,并将量子计算的设计扩展到多比特系统。本项目的成功将会进一步加深我们对于重点技术材料的理论理解，从而提供新的途径去利用它们特有的物理性质。

项目按计划进行。主要研究目标是通过理论与计算研究和理解多谷半导体量子点体系中量子比特的相干控制。主要研究进展包括：（1）给出在扩展Hilbert空间量子比特的操作标准；（2）设计了一套新的基于自旋和谷自由度的通用量子门；（3）研究谷自由度耦合机制；（4）研究谷自由度对两个量子比特操作的影响。由于声子和表面租糙度导致谷自由度退相干的研究正在进行中。此外，该研究扩展到二维石墨烯体系，为量子点和量子计算材料研究提供了基础。项目研究成果主要以学术论文形式发表。在Phys. Rev. Lett.、Phys. Rev. B、Nanoscale、Appl. Phys. Lett.等杂志上发表SCI 论文11 篇。在国内外学术会议上做邀请报告9 次。项目执行期间毕业本科生6 名。目前在读博士研究生1人，硕士研究生2 人。