纳米线复合量子结构中的电子纠缠及其器件研究

Entangled electron pair source devices are the basic components for the development of solid-state based quantum information communication and processing devices. So far, such solid state based entangled electron pair sources have not been available. The objective of this project is to develop such a device based on a superconductor-semiconductor double quantum dot hybrid structure in which the two quantum dots are tuned to the strong Coulomb blockade regime and the two electrons in a Cooper pair injected from the superconductor into the semiconductor can be spatially separated by the Coulomb repulsion. In the project, the double quantum dots are to be made with epitaxially grown, high crystalline quality semiconductor InSb nanowires first developed by us. These InSb nanowires have a very small effective mass and a very large Lande g factor. We will also integrate such an entangled electron pair source device with ferromagnetic electrodes in different configurations and use such an integrated device to determine the degree of entanglement of the spatially separated Cooper pair electrons. This information about the entanglement will be used to optimize the design of the devices and to achieve an electron pair source with a high degree of entanglement. Furthermore, we will use the developed entangled electron pair source device to demonstrate the solid state based teleportation operation, achieved by detecting the response of an electron spin in a quantum dot to the manipulation of another electron spin in the remote quantum dot. This project is a comprehensive, cross-disciplinary research project that involves nano-material science, nanofabrication technology development, small electrical signal measurement and in-depth physical analysis, and is within the overall goal of the nationally planned key research project for “detection of single quantum states and their interactions”.

纠缠电子对源器件是发展固态量子通讯科学与技术的最基本元件。目前尚无实验证实人们已制作出这样的固态器件。本项目的目标是基于双量子点调控来自于超导体的库珀对使其双电子空间分离的原理制作固态、纠缠电子对源器件。该双量子点将采用III-V族半导体材料中迁移率最高、有效质量最小、朗德g因子最大，由我们首先研制出的高品质InSb纳米线来制作。我们还将采用具有不同构型的铁磁电极制作出能对库珀对空间分离后电子的纠缠度进行精确测量的多种复合量子器件，并实现通过操纵一个量子点中的电子自旋而调控另一个量子点中的电子自旋的远程操作。本项目是一个集合了纳米材料、纳米加工、精密电信号测量和深刻物理分析等领域的一个跨学科项目，紧扣重大研究计划项目提出的“单量子态的探测及相互作用”的总体目标，在单量子态体系的构筑、单量子态体系的精密探测、量子态之间的耦合等核心科学问题的研究中，提出了有我们特色和创新之处的技术路线。

本项目是一个集合了纳米材料生长、纳米加工制备、微弱信号测量和物理分析等领域的一个跨学科项目，目标是掌握高品质、高性能纳米线材料的生长技术，掌握将半导体纳米线与超导材料及常规金属材料结合制成复合量子器件的纳米加工技术，掌握在极端条件下（极低温和强磁场）的高灵敏度电学和磁致电学信号测量方法以及不同量子态之间的调控方法。列入本项目计划书中的主要研究任务是：（1）高质量InSb和InAs纳米线的生长，（2）高质量纳米线复合量子器件的研制，（3）电子分离度与自旋纠缠度的检测和调控。在这三项任务中，每项都含有多个具体研究任务和目标。其中有一些极具挑战性，是国际上最前沿的研究课题。围绕本项目计划书所列出的主要研究任务，本项目的研究人员带领研究生刻苦攻关，基本完成了项目计划书中所列出的主要任务，获得了多项国内首创，并处于国际前沿水平的成果。例如，我们率先制作出基于InAs纳米线三量子点器件并对其物理特性进行了精细的电学测量；我们率先研制出基于InSb纳米线的弹道约瑟夫森结器件，验证了Fabry-Perot干涉效应与超流震荡现象的关联性；我们成功地制作出InSb纳米线量子点-超导体复合量子器件，观察到了由Kondo效应与Andreev局域态竞争共存所引起的0-π相变现象。总之，通过本项目的实施，我们基本确定了在国内半导体量子器件领域的领先地位，具备了参与国际最前沿和最具挑战性之一的固态拓扑量子计算领域竞争的能力。