基于半導(dǎo)體量子點的量子計算與量子信息

前言

大學(xué)最重要的功能是向社會輸送人才。大學(xué)對于一個國家、民族乃至世界的重要性和貢獻(xiàn)度，很大程度上是通過畢業(yè)生在社會各領(lǐng)域所取得的成就來體現(xiàn)的。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)建校只有短短的五十年，之所以迅速成為享有較高國際聲譽的著名大學(xué)之一，主要就是因為她培養(yǎng)出了一大批德才兼?zhèn)涞膬?yōu)秀畢業(yè)生。他們志向高遠(yuǎn)、基礎(chǔ)扎實、綜合素質(zhì)高、創(chuàng)新能力強(qiáng)，在國內(nèi)外科技、經(jīng)濟(jì)、教育等領(lǐng)域做出了杰出的貢獻(xiàn)，為中國科大贏得了“科技英才的搖籃”的美譽。2008年9月，胡錦濤總書記為中國科大建校五十周年發(fā)來賀信，信中稱贊說：半個世紀(jì)以來，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)依托中國科學(xué)院，按照全院辦校、所系結(jié)合的方針，弘揚紅專并進(jìn)、理實交融的校風(fēng)，努力推進(jìn)教學(xué)和科研工作的改革創(chuàng)新，為黨和國家培養(yǎng)了一大批科技人才，取得了一系列具有世界先進(jìn)水平的原創(chuàng)性科技成果，為推動我國科教事業(yè)發(fā)展和社會主義現(xiàn)代化建設(shè)做出了重要貢獻(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，中國科大迄今已畢業(yè)的5萬人中，已有42人當(dāng)選中國科學(xué)院和中國工程院院士，是同期（自1963年以來）畢業(yè)生中當(dāng)選院士數(shù)最多的高校之一。其中，本科畢業(yè)生中平均每1000人就產(chǎn)生1名院士和七百多名碩士、博士，比例位居全國高校之首。還有眾多的中青年才俊成為我國科技、企業(yè)、教育等領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物和骨干。在歷年評選的“中國青年五四獎?wù)隆鲍@得者中，作為科技界、科技創(chuàng)新型企業(yè)界青年才俊代表，科大畢業(yè)生已連續(xù)多年榜上有名，獲獎總?cè)藬?shù)位居全國高校前列。

內(nèi)容概要

本書以清晰的物理圖像和豐富的實驗結(jié)果比較全面地介紹了基于半導(dǎo)體量子點激子的量子計算和量子信息方面的最新研究進(jìn)展。全書共分8章，第1章和第2章是半導(dǎo)體量子點形貌結(jié)構(gòu)和基本特性簡要介紹；第3章至第5章是關(guān)于激子量子比特旋轉(zhuǎn)和量子邏輯運算等量子計算方面的研究進(jìn)展；第6章至第8章則是關(guān)于激子復(fù)合單光子發(fā)射和糾纏光子對發(fā)射等量子信息方面的研究進(jìn)展。    本書可以作為凝聚態(tài)物理、光學(xué)、材料科學(xué)、量子計算科學(xué)等有關(guān)專業(yè)的高年級本科生和研究生的教學(xué)參考書，也可供上述領(lǐng)域的科技工作者參考。

書籍目錄

總序前言第1章  半導(dǎo)體量子點形貌結(jié)構(gòu)特征  引言  1.1  界面漲落量子點  1.2  自組織量子點    1.2.1  量子點的自組織生長機(jī)制    1.2.2  自組織量子點的密度控制  1.3  耦合量子點    1.3.1  自組織縱向耦合量子點    1.3.2  自組織橫向耦合量子點    1.3.3  二維電子氣耦合量子點  1.4  微腔中的量子點第2章  半導(dǎo)體量子點基本相干特性和單量子點探測技術(shù)  引言  2.1  半導(dǎo)體量子點基本相干特性    2.1.1  半導(dǎo)體量子點的分立能級結(jié)構(gòu)    2.1.2  量子干涉與能級壽命    2.1.3  量子拍與能級劈裂    2.1.4  粒子數(shù)Rabi振蕩  2.2  單量子點探測技術(shù)    2.2.1  差分透射法    2.2.2  納米光譜成像法    2.2.3  納光電流法第3章  半導(dǎo)體量子點激子量子比特旋轉(zhuǎn)及其品質(zhì)因子  引言  3.1  量子比特旋轉(zhuǎn)基本概念    3.1.1  二能級體系波函數(shù)矢量與量子比特球    3.1.2  二能級體系粒子數(shù)運動方程    3.1.3  二能級體系Bloch矢量與Bloch球    3.1.4  量子比特旋轉(zhuǎn)及其品質(zhì)因子的定義  3.2  半導(dǎo)體量子點激子量子比特自由旋轉(zhuǎn)品質(zhì)因子Q0    3.2.1  雙脈沖激發(fā)下二能級體系粒子數(shù)運動方程    3.2.2  激子量子比特自由旋轉(zhuǎn)及其品質(zhì)因子Q0  3.3  半導(dǎo)體量子點激子量子比特Rabi振蕩品質(zhì)因子QR    3.3.1  單個半導(dǎo)體量子點中10n Rabi振蕩的觀測    3.3.2  激發(fā)脈沖寬度對Rabi振蕩品質(zhì)因子QR的影響  3.4  Rabi振蕩退相干機(jī)制的分析    3.4.1  浸潤層泄漏與Auger俘獲的影響    3.4.2  雙激子的影響    3.4.3  純位相退相干的影響第4章  半導(dǎo)體量子點中的量子邏輯運算  引言  4.1  量子邏輯門和量子算法基本概念    4.1.1  基本量子邏輯門    4.1.2  量子邏輯門的符號表示和量子線路    4.1.3  量子算法    4.1.4  量子操作保真度  4.2  單個半導(dǎo)體量子點中實現(xiàn)控制旋轉(zhuǎn)門CROT    4.2.1  半導(dǎo)體量子點雙激子構(gòu)成的兩個量子比特體系    4.2.2  理想雙激子體系中控制旋轉(zhuǎn)門CROT操作方案    4.2.3  實際雙激子體系中CROT操作的粒子數(shù)運動和實驗結(jié)果  4.3  利用量子交換操作實現(xiàn)兩個量子比特態(tài)上的粒子數(shù)交換    4.3.1  理想半導(dǎo)體量子點體系兩個量子比特態(tài)上的粒子數(shù)交換    4.3.2  V型體系在雙脈沖激發(fā)下的粒子數(shù)運動特性    4.3.3  兩個量子比特態(tài)上的粒子數(shù)交換操作實驗結(jié)果  4.4  半導(dǎo)體量子點中Deutsch-lozsa量子邏輯運算    4.4.1  單量子比特優(yōu)化Deutsch-Iozsa算法的操控方案    4.4.2  單量子比特優(yōu)化Deutsch-Jozsa算法的實驗結(jié)果    4.4.3  兩個量子比特常規(guī)Deutsch-Jozsa算法的操控方案    4.4.4  兩個量子比特優(yōu)化Deutsch-Jozsa算法的操控方案第5章  半導(dǎo)體量子點中激子自旋弛豫和自旋交換  引言  5.1  半導(dǎo)體量子點中能級解簡并與線偏振本征態(tài)及其激子自旋  5.2  半導(dǎo)體量子點中激子自旋弛豫特性    5.2.1  半導(dǎo)體量子點中激子自旋弛豫的實驗觀測    5.2.2  半導(dǎo)體量子點中激子自旋弛豫的外在機(jī)制分析    5.2.3  半導(dǎo)體量子點中激子自旋弛豫的內(nèi)在機(jī)制分析  5.3  利用Uf控制門實現(xiàn)激子自旋交換    5.3.1  Uf控制門與類Deutsch量子邏輯運算    5.3.2  利用類Deutsch邏輯運算實現(xiàn)激子自旋交換第6章  半導(dǎo)體量子點單光子發(fā)射  引言  6.1  光發(fā)射統(tǒng)計特性基本概念  6.2  連續(xù)激發(fā)下單光子發(fā)射    6.2.1  雙時歸一化二階自相關(guān)函數(shù)的量子力學(xué)形式    6.2.2  量子力學(xué)算符的期望值和量子回歸定理    6.2.3  歸一化二階自相關(guān)函數(shù)的穩(wěn)態(tài)解    6.2.4  多個獨立量子點體系的歸一化二階自相關(guān)函數(shù)  6.3  脈沖激發(fā)下單光子發(fā)射    6.3.1  脈沖激發(fā)下二階自相關(guān)函數(shù)的定義    6.3.2  脈沖激發(fā)下粒子數(shù)運動方程    6.3.3  脈沖激發(fā)下二階自相關(guān)函數(shù)的運動方程    6.3.4  單光子發(fā)射效率  6.4  脈沖激發(fā)下交叉偏振單光子發(fā)射    6.4.1  V型多能級體系粒子數(shù)運動方程    6.4.2  V型多能級體系二階互相關(guān)函數(shù)運動方程    6.4.3  交叉偏振單光子發(fā)射  6.5  由脈沖激發(fā)過渡到連續(xù)激發(fā)  6.6  半導(dǎo)體量子點單光子發(fā)射實驗觀測    6.6.1  HBT光子相關(guān)度測量裝置    6.6.2  連續(xù)激發(fā)下歸一化二階自相關(guān)度的測量    6.6.3  脈沖激發(fā)下二階自相關(guān)函數(shù)的測量第7章  半導(dǎo)體量子點級聯(lián)多光子發(fā)射  引言  7.1  單量子點中雙激子三能級體系級聯(lián)光子對的發(fā)射特性    7.1.1  雙激子三能級體系粒子數(shù)運動方程    7.1.2  雙激子三能級體系二階交叉相關(guān)函數(shù)運動方程  7.2  耦合量子點雙激子體系級聯(lián)光子對的發(fā)射特性    7.2.1  耦合量子點雙激子體系的粒子數(shù)運動方程    7.2.2  耦合量子點雙激子體系的二階交叉相關(guān)矢量運動方程    7.2.3  級聯(lián)發(fā)射與脈沖面積的關(guān)系  7.3  三激子體系級聯(lián)光子對的發(fā)射特性    7.3.1  三激子體系粒子數(shù)運動方程    7.3.2  三激子體系二階交叉相關(guān)函數(shù)運動方程    7.3.3  級聯(lián)發(fā)射與脈沖面積的關(guān)系第8章  半導(dǎo)體量子點中可控糾纏光子對的發(fā)射  引言  8.1  “光子對”偏振糾纏基本概念    8.1.1  “光子對”偏振態(tài)偏振密度矩陣    8.1.2  光子偏振態(tài)的變換    8.1.3  光子偏振態(tài)偏振密度矩陣的測量    8.1.4  糾纏判據(jù)與糾纏度  8.2  半導(dǎo)體量子點雙激子體系能級結(jié)構(gòu)  8.3  簡并雙激子體系糾纏光子發(fā)射特性    8.3.1  理想簡并雙激子體系糾纏光發(fā)射特性    8.3.2  自旋弛豫對二階互相關(guān)函數(shù)和糾纏度的影響  8.4  非簡并雙激子體系頻譜過濾與糾纏光發(fā)射    8.4.1  非簡并雙激子體系非糾纏光發(fā)射特性    8.4.2  非簡并雙激子體系頻譜過濾法產(chǎn)生糾纏光的原理    8.4.3  頻譜法分析譜過濾非簡并雙激子體系糾纏光發(fā)射    8.4.4  主方程法分析譜過濾非簡并雙激子體系糾纏光發(fā)射附錄1.1  半導(dǎo)體量子點中量子計算和量子信息標(biāo)志性實驗研究進(jìn)展（2001—2006）附錄2.1  單量子點能級結(jié)構(gòu)示意圖以及單量子點探測技術(shù)附錄3.1  含浸潤層和雙激子等多能級躍遷的粒子數(shù)運動方程附錄4.1  激子一雙激子四能級體系激子動力學(xué)方程附錄4.2  雙脈沖激發(fā)下V型三能級系統(tǒng)激子動力學(xué)方程附錄5.1  含粒子數(shù)泄漏與Auger俘獲的激子自旋弛豫動力學(xué)方程附錄6.1  量子回歸定理及其推論附錄6.2  脈沖激發(fā)下簡單三能級體系二階相關(guān)函數(shù)運動方程附錄6.3  脈沖激發(fā)下V型體系二階相關(guān)函數(shù)運動方程附錄7.1  雙激子三能級體系二階相關(guān)函數(shù)運動方程附錄7.2  脈沖激發(fā)下耦合量子點體系的二階相關(guān)函數(shù)運動方程附錄7.3  激子-雙激子-三激子體系運動力學(xué)方程附錄7.4  脈沖激發(fā)下激子-雙激子-三激子體系二階相關(guān)函數(shù)運動方程附錄8.1  作者及其課題組發(fā)表的相關(guān)研究論文

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 半導(dǎo)體量子點形貌結(jié)構(gòu)特征半導(dǎo)體量子點是指三維空間受限的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)。納米尺度下的量子限制效應(yīng)造成其類似原子的分立能級，因此，半導(dǎo)體量子點也被稱為“人工原子”。通過控制量子點的形狀和大小可以有效地調(diào)節(jié)其能級結(jié)構(gòu)，從而極大地擴(kuò)展了半導(dǎo)體器件的應(yīng)用領(lǐng)域。近年來，半導(dǎo)體量子點在量子計算和量子信息方面的研究備受人們的關(guān)注，并且已經(jīng)取得了一系列的重要進(jìn)展。 　　半導(dǎo)體量子點的制備工藝和方法多種多樣，如由量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面起伏漲落而自然形成的界面漲落型量子點(IFQDs)、分子束外延生長中應(yīng)力造成的自組織量子點(SAQDs)、微納加工刻蝕形成的量子點以及化學(xué)方法合成的量子點，等等。前三種方法直接將量子點生長和加工在半導(dǎo)體芯片上，有利于其集成器件的研究和應(yīng)用。本章共四節(jié)，分別簡要介紹界面漲落量子點、自組織量子點、耦合量子點以及微腔中的量子點的形貌結(jié)構(gòu)特征。1.1　界面漲落量子點界面漲落型量子點(IFQDs)最初是在半導(dǎo)體量子阱異質(zhì)界面觀察到的。

編輯推薦

《基于半導(dǎo)體量子點的量子計算與量子信息》共分8章由淺入深地進(jìn)行介紹。第1章和第2章簡要介紹半導(dǎo)體量子點基本特性，其中第1章是關(guān)于半導(dǎo)體量子點形貌結(jié)構(gòu)特征，第2章是關(guān)于半導(dǎo)體量子點的基本相干特性和單量子點的實驗探測技術(shù)。第3章至第5章涉及量子計算：第3章介紹半導(dǎo)體量子點激子量子比特旋轉(zhuǎn)及其品質(zhì)因子，并且比較深入地討論了量子點體系中多種復(fù)雜的退相干機(jī)制對其品質(zhì)因子的影響；第4章介紹半導(dǎo)體量子點中實現(xiàn)CNOT量子邏輯門以及Deutsch—Jozsa邏輯運算，這兩者是量子計算中的基本量子邏輯操作；第5章分析和討論半導(dǎo)體量子點中激子自旋的弛豫機(jī)制，并介紹利用相干光學(xué)方法實現(xiàn)激子自旋的交換。第6章至第8章涉及量子信息：其中第6章和第7章分別介紹半導(dǎo)體量子點的單光子發(fā)射和級聯(lián)多光子發(fā)射過程；第8章介紹半導(dǎo)體芯片上單個半導(dǎo)體量子點發(fā)射糾纏光子對的特性，分析和討論多種因素對光子偏振糾纏度的影響。在《基于半導(dǎo)體量子點的量子計算與量子信息》的第3章至第8章中，融入了我們在此領(lǐng)域發(fā)表的二十余篇研究論文的成果。書中每一章都詳細(xì)給出了相關(guān)研究點上的重要參考文獻(xiàn)，這便于讀者查閱原始研究論文和進(jìn)一步研究。

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