量子点测量体系的量子噪声与灵敏度研究

量子点测量体系是测量量子比特与其它量子系统非常具有应用前景的工具之一。但量子点中的电子隧穿是一个非平衡过程，量子点器件与被测体系相互影响，将导致器件参数与被测值产生波动，从而带来量子噪声并限制实际测量时的灵敏度。本项目首次将含时规范变换法与直接求解非平衡薛定谔方程法结合起来，通过对含时被测体系动力学过程以及电子在量子点器件中输运过程的精确求解，分析测量过程中量子点器件与被测体系的相互影响以及这种影响带来的器件参数和被测值波动。在此基础上，得到量子点器件在不同隧穿区域的灵敏度限制。这项工作将为求解哈密顿随时间变化的电子输运方程提供一种新的方法，同时对确定量子点器件实际测量时的"非理想性"十分重要，研究结果将有助于新型基于量子隧穿的测量体系的开发和研制。

通过对含时被测体系动力学过程以及电子在量子点器件中输运过程的精确求解，分析在测量过程中量子点器件与被测体系的相互影响以及这种影响带来的器件参数和被测值波动。在此基础上改善测量效率，提高测量灵敏度。对于被测体系，我们首先提出包含两个自旋相反的双量子点结构，这个双量子点结构在强库仑相互作用下可形成最大纠缠态，并可利用量子点接触器电流与电流变化率对电子的布居数与纠缠信息进行直接测量。为提高测量效率和规避量子点接触器的低频噪声项，我们根据最新的实验进展，设计了一个新的量子测量器件，即射频量子点接触器（rf-QPC）器件来对量子态进行测量。我们将整个量子体系埋在一个LC谐振回路中，在这个回路中，QPC取代电阻成为谐振回路的耗散相，在实际测量中，可通过耗散相的变化来连续观测体系的量子态。通过精确与繁琐地求解这个体系，在保证LC回路的品质因子与选择合适的带宽条件下，我们明确提出这样一个类经典LC回路的输出电压可直接读出量子态与体系的纠缠信息。对这样一个回路的输出电压进行低温与室温的放大器增益，可在室温下读出量子信息。从更本征的角度上来看，量子信息的退相干只取决于量子测量器本身，在这里是量子点接触器（QPC），本质上来说，量子信息只是附在了rf-QPC的rf组分上，测量效率并不太理想。但rf+dc模式不会带来另外的退相干项，同时可使QPC测量摆脱低频噪声1/f限制，仍是实验上值得探索的一种测量方式。尽管rf-QPC是可在实验上值得探索的提高测量效率的方向，但该被测体系的耦合双量子点的测量时间在15~20ns范围，为提高被测体系的寿命，我们提出了混合双量子点概念。混合双量子点中有三个电子:两个电子在一个量子点，一个电子在另一个量子点，以自旋单态和混合三重态作为量子比特的两个态。通过求解混合双量子点与QPC体系，并对体系的电流噪声功率谱进行测量，我们发现混合量子点的初态、能量失谐、库仑相互作用等对测量噪声功率谱有明显影响，即可通过调制电路来改善测量效率和灵敏度。我们对半导体器件在大气环境中受到粒子作用而失去测量能力也做了研究。我们研究了器件发生单粒子翻转的MBGR参数，并对SRAM器件的单粒子翻转率进行了计算与分析，对电子系统发生状态翻转的时间进行了估算，这对分析大气环境对半导体器件产生的单粒子效应提供了可靠的技术路线和理论基础。