news 2026/1/12 11:06:52

29、量子点中的自旋电子学与量子计算

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张小明

前端开发工程师

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29、量子点中的自旋电子学与量子计算

量子点中的自旋电子学与量子计算

1. 量子寄存器的初始化

在量子计算里,量子算法和纠错方案通常需要输入处于明确定义状态(如自旋向上 $|\uparrow\rangle$)的量子比特寄存器。单自旋可通过暴露在强磁场 $g\mu_BB \gg kT$ 中,使其弛豫到基态来实现极化。施加磁场的方式有多种,比如局部施加,或者通过外部栅极将电子引入磁化层、具有不同有效 $g$ 因子的层,或者具有极化核自旋的层(Overhauser 效应)。

若能产生自旋极化电流,例如利用自旋极化材料或借助另一个量子点进行自旋过滤,就可将极化电子注入空的量子点,使量子点填充已初始化的自旋。

有时,从特定初始状态(如 $|0110 \cdots\rangle$)而非 $|0000 \cdots\rangle$ 开始可能更有利。这可利用标准电子自旋共振(ESR)技术实现:先从基态 $|0000 \cdots\rangle$ 开始,对需要初始化为 $|1\rangle$ 态的自旋施加静态局部磁场,产生塞曼分裂;再垂直于该磁场施加具有与拉莫尔频率 $\omega_L = g\mu_BB/\hbar$ 匹配的共振频率的交流磁场。由于顺磁共振,会使具有相应塞曼分裂的量子点中发生自旋翻转,从而产生所需状态。需注意,为避免影响其他自旋,交流磁场的振幅必须绝热切换。

2. 耦合量子点中的双量子比特操作

与单量子比特操作结合,双量子比特门足以进行任意量子计算,它们能构成通用的量子门集合。在耦合量子点中,存在一种由库仑相互作用和泡利不相容原理共同作用产生的机制,可实现自旋量子比特对的耦合。

无磁场时,两个耦合电子的基态是自旋单态,而在强库仑排斥下,第一激发态是自旋三

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