单电子晶体管测量固态量子比特：基于全计数统计理论

量子测量是量子信息实用化和量子计算物理实现不可或缺的一环，它在量子比特的读取以及量子态的反馈和控制等方面起着关键作用。由于固态体系优良的可操控性和可集成性，在固态基础上实现量子比特测量具有很大的现实意义。近年来，人们对固态量子比特的测量特性开展了大量研究，但这些研究主要集中在电流和散粒噪声方面。在本项目中，我们将专门从全计数统计的角度分析单电子晶体管探测器的测量特性。主要研究内容包括：（1）在条件性量子主方程的基础上，建立量子测量的全计数统计理论，为描述测量仪器高阶涨落关联提供可靠的理论基础；（2）从全计数统计的角度考察测量仪器和被测量子体系之间的复杂关联特性，从中寻找更好地控制量子比特退相干的方案；（3）考虑到实验的可行性，我们将在全计数统计的基础上研究测量仪器与量子比特在不同耦合形式下的测量效率和信噪比，为单电子晶体管测量仪器的优化提供一定的理论依据。

量子测量是量子信息实用化和量子计算物理实现不可或缺的一环，它在量子比特的读取以及量子态的反馈和控制等方面起着关键作用。近年来，人们对固态量子比特的测量特性开展了大量研究，但这些研究主要集中在电流和散粒噪声方面。在本项目中，我们专门从全计数统计的角度对测量特性进行了研究和分析。主要研究内容和结果如下：（i）在条件性量子主方程的基础上，建立了量子测量的全计数统计理论，为描述测量仪器高阶涨落关联提供可靠的理论基础。在全计数统计的基础上，研究了电荷量子比特的动力学特性，主要考察了非马尔科夫效应。由非马尔科夫关联所导致的“有限频率支撑”特性极大地抑制了基础噪声，从而明显地违反了量子测量中著名的“Korotkov-Averin”约束。此外在大电压和宽带极限下，非马尔科夫过程能够完全抑制量子相干跳跃（量子芝诺效应）。然而在狭带条件下，相干震荡能够在很大温度范围内得以保持，从而为量子相干测量的优化提供重要的参考。（ii）为了研究自旋量子比特测量中的库伦相互作用，我们提出了一个新的方法—条件性自旋计数统计，即给定某一自旋流的情况下分析相反自旋流的涨落特性。进一步将自旋量子比特置于输运装置中，我们发现，存在和不存在库伦相互作用的两种情形下，条件性自旋计数统计有着极大的差别。因此，我们可以应用条件性自旋计数统计作为量子测量和输运中探测库伦相互作用的一个重要指标。（iii）我们研究了电荷量子比特与铁磁电极耦合情形下的自旋分辨全计数统计性质。我们发现电荷量子比特之间的耦合以及电极的自旋极化产生了独特的自旋阻塞效应：一个向上（向下）自旋的动力学阻塞引起的向上（向下）自旋的聚束效应。与传统的自旋阻塞效应（一个向下自旋的动力学阻塞引起的向上自旋的聚束效应）相比，我们进一步揭示了该自旋阻塞效应与自旋互关联的密切关联。上述研究将为固态体系中量子比特测量的控制与优化提供一定的依据。