基于Landau-Zener-Stuckelberg效应的超快电荷量子比特研究

One of basic requirements for quantum information processing is the ability to universally control the state of a single qubit on timescales much shorter than the coherence time.The charge or spin degrees of freedom of an electron in quantum dots are particularly attractive for the implementations of qubits.Alternatively，LZS has also gained particular interest of quantum control,because it is less sensitive to certain types of noise and might enable the implementation of a universal gate with high fidelity.This project will improve the structure of GaAs/AlGaAs double quantum dot and fabricate it in our lab.To manipulate the charge qubit and explore the ultrafast hige fidelity universal gate,we will take advantage of the LZS interference by generating the serial pusles on a local electrode to demonstrate the charge qubit oscilations,Phase-Shift gate operation,abstract the T2* from Ramsey fringes and try to implement charge echo on charge qubit.Up to now,only a few of experiments about the charge qubit in semiconductor quantum dot system for the ultrafast pulse requirment.This proposal focus on the quantum gate control and extension the decoherence time which are the core issues of quantum information.This research will pave a new way for the development of the quantum information.

半导体栅型量子点被认为未来可能实现量子计算的物理体系之一，通常利用其电子的电荷或自旋自由度来编码,而量子信息最基本的要求之一是量子比特的逻辑门操作时间远小于量子比特的消相干时间，本项目以操控时间更快的电荷量子比特为研究对象，在已有重大研究进展基础上改进GaAs/AlGaAs异质结串联双量子点系统，利用LZS干涉效应对特定噪声不敏感的特性，运用于超快高保真度量子逻辑门操控；通过极其精确地控制、施加超快高频电脉冲序列，实现电荷量子比特相干振荡、完成Phase-Shift门操控、研究Ramsey干涉并提取系统消相干时间T2*、探索对量子比特实施Charge echo以提高系统消相干时间。操控量子点电荷量子比特要求施加超快电脉冲，技术难度大，国际上的实验研究不多，项目以此为对象研究量子比特逻辑门操控、探索延长系统消相干时间等量子信息核心问题，该项目的实施将为量子信息的发展探索新的方向和道路。

由于良好的可扩展性，半导体栅型量子点被认为未来可能实现量子计算的物理体系之一，本项目以半导体栅型量子点中操控速度更快的电荷量子比特为研究对象，将LZS干涉效应对特定噪声不敏感的特性运用于超快高保真度量子逻辑门操控，通过极其精确地控制、施加超快高频电脉冲序列，圆满完成了项目预订研究目标：.（1）实现了电荷量子比特相干振荡；实现了0-6pi连续变化的Phase-Shift门操控。.（2）研究了电荷量子比特Ramsey干涉，并提取系统消相干时间T2*~200ps；探索对量子比特实施Charge echo操控，消除系统部分噪声，将比特相干时间延长到~1.3ns。.（3）通过设计、制备开口错位的样品实现了两电荷量子比特强耦合，实现了两比特受控翻转演化。.（4）利用量子点中多电子轨道态的非对称性，首次在砷化镓半导体系统中实现了轨道杂化的新型量子比特，巧妙的将电荷量子比特超快特性与自旋量子比特的长相干特性融为一体，编码实现长相干与超快操控兼得的新型杂化量子比特。实验结果表明，该新型量子比特与电荷量子比特类似，可在百皮秒内实现从0到1的超快量子翻转；而其量子相干性却比一般电荷编码量子比特提高近十倍。.通过该项目，我们精确掌握了半导体量子比特控制技术，实现了2比特操控和新型杂化量子比特的突破。为将为半导体量子计算的发展提供了重要的积累和经验，提供了新的思路。