谐振腔与量子点耦合体系的研究

【摘要】门控量子点是各种可能的量子计算实现中一个兼容性比较好的方案。谐振腔可提供一个单频的光子谐振环境,用作将两个相距较远的量子比特耦合起来,实现量子计算系统中量子比特数目的扩展。本文从这两点出发,以实现量子点和谐振腔耦合为目标,逐步研究了谐振腔的结构、设计和测量方法,谐振腔与二维电子气的耦合,谐振腔与量子点的相互作用等问题。本文主要包括以下内容：1.研究背景和基本概念。介绍了量子计算的基本知识。重点讨论了门控量子点结构的基本理论框架和实验现象,以及量子点中电荷量子比特编码。2.微纳加工工艺。介绍半导体量子点的加工工艺流程,低温平台的改建和基本的量子点测量方法。3.谐振腔基本知识。介绍了集总谐振电路和分布式谐振电路的理论以及量子化描述。仔细讨论了透射式谐振腔、反射式谐振腔和3D谐振腔等3种微波谐振腔的设计,加工和测量表征的方法。4.反射式谐振腔及其调谐。详细介绍了一个实际的反射式微波谐振腔,包括具体的样品结构和测量方法。研究了利用二维电子气调谐谐振腔的设计,可大范围地调节谐振腔的品质因子。5.谐振腔测量量子点复导纳。详细介绍了使用反射式微波谐振腔来测量孤立量子点的实验方法。通过谐振腔的反射频谱的振幅和相位的移动,可以测量出孤立量子点的电阻电容并估计出隧穿率。6.腔量子电动力学。介绍了基本概念,量子点与谐振腔耦合的理论分析,并结合具体的实验讨论了样品参数的提取过程。本文的主要创新点有：1.设计并实现了一种半波长反射式微波谐振腔,这种结构具有易于加工,便于耦合多个系统的特点。研究发现了一种使用二维电子气调谐谐振腔的方法,可通过调整门电极电压大范围地控制谐振腔的品质因子。2.利用高品质因子谐振腔实现了对近似孤立量子点的复导纳的测量,提供了一种灵敏探测孤立量子点的新方法。通过谐振腔反射谱振幅和相位变化的蜂窝状相图确定了双量子点的存在,并可从变化大小计算出量子点的隧穿率。3.模拟实现了3D谐振腔结构,并系统地讨论了在3D谐振腔中添加直流引线的可能性以及实际的影响。并通过实验测试了实际的效果。4.研究了谐振腔和量子点的电偶极子耦合结构。在弱色散极限区测量到了量子点的相图,并从中拟合出耦合参数。
【作者】张苗磊；
【导师】郭国平；
【作者基本信息】中国科学技术大学，光学，2014，博士
【关键词】门控量子点；反射式谐振腔；复电导；谐振腔调谐；3D谐振腔；偶极耦合；

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