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