[发明专利]实时探测单电子自旋态的方法

说明书

技术领域

本发明设计了一种基于量子点和量子点接触的实时探测单电子自旋态 的方法。在量子信息处理以及量子计算等方面有重要潜在用途。

背景技术

电子的自旋自由度为信息处理提供了一个更广阔的舞台。电子自旋相对 于外磁场的方向或者铁磁物质的磁化方向只能取“上”或者“下”两个方向。 因此，电子自旋是天然的量子比特的载体。基于电子自旋实现的量子比特是 许多固态量子计算机架构的关键组成部分。

实现基于自旋的量子计算机的一个关键就是对单电子自旋态的实时电 学测量。由于与自旋相关的固有相互作用总是很弱，因此，单电子自旋态的 测量一直都十分困难。与此相反，单电子电荷的测量早已十分成熟了。因此， 以往的单电子自旋态的测量方法都依赖于首先将电子的自旋信息转化为电 荷信息，然后再进行测量(Nature 430，431，(2004)，Nature 430，435， (2004))。这些测量方案都包括了两个步骤：1)自旋-电荷转换：将电子 的自旋态信息通过在某一势阱的电子占据数目来表示。2)电子电荷测量： 通过测量该势阱的电荷信息来反应初始电子的自旋信息。很显然，以上测量 方案中自旋-电荷转换是测量成功的关键。但是单电子水平的自旋-电荷转 换本身对实验就提出了新的挑战。同时，自旋-电荷转换步骤也降低了该自 旋探测器的工作速率，不利于在高速量子信息处理上的应用。因此，迫切需 要一种不依赖自旋-电荷转换的单电子自旋电学测量方法。为此，本发明人 拟提出一种通过把自旋信息与电子在探测器量子点(QD)上的留滞时间联 系起来实现单电子自旋态的测量的设想。

发明内容

本发明提出一种实时探测单电子自旋态的方法。所述的实时单电子自旋 态的测量方法是基于量子点和量子点接触，也即将自旋信息与电子在探测量 子点上的留滞时间联系起来。

本发明首先分析利用量子点接触(QPC)探测量子点(QD)上电子是 否存在的单电子探测器。QPC和QD彼此电学上分离，但是容性耦合。当一 个单电子隧穿到QD时，QPC附近的势场会立刻发生改变。这一变化会导致 QPC的传输几率发生变化。因此QPC的电导对是否有电子处于QD上表现 得十分敏感。通过测量通过QPC的电流就可以知道是否有电子处于量子点 上了。最近的实验已经演示了在很短的时间尺度上(10微秒Nature 430，431 (2004))测量量子点的实时电子态信息。这一尺度比电子自旋反转的时间 (约50微秒Nature 430，431(2004))要短得多。因此，这一方法可以成 为实时测量单电子自旋态信息的基础。仔细分析这一测量过程可以发现，单 电荷的测量与QPC的噪声水平有关。假设温度为0°K时，主要的噪声是由 于电子的粒子性引起的散弹噪声，而热噪声为0，可以忽略。当外加在QPC 上的电压为V时，电子进入QPC的速率为2eV/h。其中，e是电子电荷单位， h为Planck常数。在电流测量间隔时间τ内，总共有N＝2eV/h×τ个电子进 入QPC。这些电子可能被反射也可能穿过QPC。这些电子通过QPC的输运 可以认为是二项随机过程。当在QD上没有电子时，QPC的传输几率为T_d， 时间间隔τ内通过QPC的电子数目为N_t＝N×τ×T_d＝2eV/h×τ×T_d。其标准偏差 为σ(Nt)=NTd(1-Td)]]>正好是散弹噪声的起源。如果在测量间隔τ内有一个 电子进入QD，那么QPC的传输几率就会发生改变，设为ΔT_d。假设电子在 QD上的留滞时间为τ_d，这个时间是电子与QD相互作用的时间，也是QPC 传输几率发生改变的时间。这时，通过QPC的平均电子数目为Nt′=Nt-τdτNΔTd.]]> 一次成功的探测要求信号的变化远大于噪声水平，即N_t′- N_t＞＞σ(N_t)。即：