基于石墨烯的自旋量子比特的理论研究

The electron spin qubit is one of the most promising candidates for quantum information processing. In this project we focus on the emergent material, graphene, which has potential for scalable electronic devices and has advantage of zero nuclear spins. We will systematically study the realization of spin qubit in graphene single electron transistor. We will propose how to characterize electron spin states, readout of the quantum states of an individual spin, fast control of an electron spin into a superposition of up and down, long range couple two electron spins with superconducting resonator and produce spin entangled states with high fidelity. All these subjects are directly relevant for the fields of quantum information processing with single spins.

基于单电子自旋的量子比特被普遍认为是实现量子信息处理过程的理想候选者之一。本项目选择国际上刚刚兴起的石墨烯材料，利用其能够制备成可集成化的单电子晶体管（量子点），同时又没有核自旋使得电子自旋的量子相干时间很长等独特优势，对基于石墨烯单电子晶体管的自旋量子比特开展系统和深入的理论研究。我们将提出石墨烯中电子自旋量子比特的实现与表征、单自旋态的超灵敏读取和超快控制、与超导腔的耦合、各种自旋纠缠态的制备等一系列理论方案，为这方面方兴未艾的实验工作提供坚实和有力的理论基础。

本项目针对石墨烯量子点，具有无核自旋、Dirac电子态的特点，提出自旋态编码量子比特的理论方案，给出了操控自旋量子比特的新方法，具有全电学、可单独寻址、操作速度快等优势。首先，我们建立了系统化的石墨烯量子点的设计方案和模拟软件。第二，我们研究了石墨烯量子点中的量子输运性质，特别是库仑阻塞效应和电荷状态图，获得了利用全电学手段调控单电子状态的规律和方法。第三，我们提出了利用著名的Landau-Zener效应操控量子点上单电子相位的新方法，可以在复杂的固态环境中实现高保真度的普适量子逻辑门操作。第四，我们研究了石墨烯量子点上的退相干过程，发现电荷噪声起主导作用，并进一步获得其噪声谱的幅度和形式，为量子比特的操控提出一种新的机制和方法。第五，我们研究了石墨烯量子点+超导电极的复合结构，发现量子点与超导电极之间的耦合强度随着外加门电压可以有效的调节，可以用于进一步开发新型的复合系统的量子器件。这些研究成果为基于石墨烯量子点的量子比特研究奠定了有力的理论基础，使得该体系成为实现固态量子计算颇有希望的载体和候选者之一。