耦合量子点系统中电荷输运的量子反馈控制研究

Due to the unique advantages of intrinsic quantum coherence and excellent manipulability, coupled quantum dot systems have vital roles to play in nano-electronics and vast applications in the field of solid-state quantum information. However, owing to the discreteness of electrons, electronic transport through mesoscopic systems is unavoidably subject to stochastic fluctuations. Since the essence of these noise fluctuations is the quantization of electron charge, it makes them very difficult to be suppressed in comparison with those in conventional electronic devices. How to achieve a stable, low noise and controllable electron current in a coupled quantum dot system is one of the essential issues in the development and application of solid state quantum devices. We hereby propose to utilize quantum feedback protocol to control fluctuations in electron transport through coupled quantum dot systems. First, an electron-number-resolved quantum master equation and a quantum trajectory theory applicable to arbitrary bias will be established based on the quantum dissipation theory. Next, nontrivial correlations between the system dynamics and electron tunneling processes will be investigated based on a deep understanding of the electron current fluctuations. Finally, an appropriate quantum feedback control scheme will be designed according to real experimental parameters, such that one is able to reach a stable and low noise electron current. It is highly anticipated that the proposed research may provide valuable strategies for the design and control of coupled quantum dot devices.

耦合量子点具有独特的量子相干性和优良的可操控性，是构建纳米电子学器件的重要载体，在固态量子信息领域具有广阔的应用前景。然而，由于电子的分立特性使得介观体系中电荷的输运不可避免地产生随机涨落；而且，这些涨落噪声的本质源于电荷的量子化特性，因此它们不像传统电子器件的噪声那样容易被抑制。如何在耦合量子点器件中实现稳定的、低噪声的以及可控的电流，是固态量子器件开发和应用研究中的一项关键内容。为此，本项目拟针对耦合量子点体系中的电荷输运开展量子反馈控制研究。首先，在量子耗散理论的基础上，建立电子数分辨的量子主方程，发展适用于任意偏压范围的量子轨道理论；其次，在深入了解电流涨落噪声的基础上，考察系统动力学与电荷隧穿的复杂关联；最后，结合实验参数条件，设计合理的量子反馈控制方案，从而为实现稳定和低噪声的电流提供理论依据。我们希望通过本项目的研究能够为耦合量子点输运器件的设计和控制提供有价值的理论参考。

耦合量子点具有独特的量子相干性和优良的可操控性，是构建纳米电子学器件的重要载体，在固态量子信息领域具有广阔的应用前景。然而，由于电子的分立特性使得介观体系中电荷的输运不可避免地产生随机涨落；而且，这些涨落噪声的本质源于电荷的量子化特性，因此它们不像传统电子器件的噪声那样容易被抑制。如何在耦合量子点器件中实现稳定的、低噪声的以及可控的电流，是固态量子器件开发和应用研究中的一项关键内容。本项目对耦合量子点体系中的电荷输运开展了量子反馈控制研究。首先在量子耗散理论的基础上，发展了适用于任意偏压下的电子数分辨的量子主方程理论。其次，深入分析了耦合两态体系的能谱特性，为耦合量子点体系的内部能级结构和能量分析提供了重要的依据。再次，研究了耦合两态体系的粒子和能量输运涨落问题，基本理清了量子退相干、库伦相互作用、能谱对称性等对输运噪声的影响。最后，针对耦合量子点器件中介观输运的涨落噪声设计了反馈控制方案。通过理论和数值计算分析表明，该方案能够明显地抑制耦合量子点器件中输运的随机涨落。本项目针对耦合量子点体系设计的输运反馈控制方案，实现了对输运噪声的操控，为真实的耦合量子点器件中实现稳定的、低噪声的以及可控的电荷输运提供了理论基础。期待本项目的研究成果能够为耦合量子点在纳米电子学和固态量子信息领域中输运器件的设计和控制提供有价值的理论参考。