中国科大在半导体量子点系统中实现量子干涉与相干俘获

中国科大郭光灿院士团队在半导体量子点的量子态调控研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧教授与中国科学院物理研究所张建军研究员以及本源量子等合作，在锗硅双量子点系统中实现了量子干涉和相干俘获(CPT)。实验上通过电场调控双量子点系统中的空穴自旋态，不仅观察到了在驱动和非驱动条件下的CPT，还揭示了纵向驱动场对CPT的重要调制效应(暗态调控和奇偶效应)。该工作对基于半导体量子点系统的量子模拟和量子计算具有重要的指导意义。研究成果以“Quantum Interference and Coherent Population Trapping in a Double Quantum Dot” 为题，于8月12日在线发表在国际纳米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。

量子干涉是量子力学中波粒二象性的自然表现形式，通常出现在原子尺度上。量子干涉的一个重要现象是CPT，它是由不同跃迁路径之间干涉相消引起的，最早在光学系统的三能级原子中被观察到。在这样的三能级系统中，两个状态与第三个中间状态耦合，当驱动场的频率和相位被精确调谐时，这两个状态就会形成与中间态解耦的叠加态，这样的叠加态被称为“暗态”。因为处于该状态的系统不会对探测场产生响应，导致出现电磁感应透明等有趣的现象。这个现象已经被广泛研究并在诸如光学、超导电路和量子网络等领域中得到了应用。进一步，通过绝热调节暗态的控制参数，可以实现快速状态初始化和受激拉曼绝热通道过程（STIRAP），这在量子信息处理中具有重要意义。

在这项研究中，研究人员展示了如何在半导体双量子点系统中实现CPT。与传统的三能级原子系统不同，在双量子点系统中无需外部驱动场即可实现内在的CPT过程。通过测量泡利自旋阻塞状态下的漏电流，研究人员在无磁场条件下观察到了显著的电流抑制现象，这表明暗态的形成和CPT的发生。进一步，研究人员通过纵向驱动双量子点系统，展示了选择性地创建暗态及其相关CPT过程的调控能力。

该研究还深入探讨了纵向驱动场引发的奇偶效应。研究人员观察到，当系统的驱动频率满足一定条件时，出现了奇数和偶数阶谐波对应的电流增强或抑制现象。这种效应为理解和应用CPT提供了新的视角。此外，研究表明，通过调节纵向驱动场，CPT的信号强度和宽度可以得到有效调控，这为基于CPT的量子门操作提供了一种新的途径。

该研究工作表明，半导体量子点系统不仅是理解量子干涉现象的理想平台，也是实现高精度量子信息处理的有力工具。研究工作清晰地展示了纵向驱动双量子点系统的潜在可调性，开启了基于STIRAP的量子门操作的新途径。有望在未来基于半导体量子点的量子计算和量子模拟技术的实际应用中发挥重要作用。

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图1. (a) 双量子点结构扫描电子显微镜图片，横截面示意图在插图中展示。(b) 双量子点系统中单重态和三重态能级以及输运电流形成示意图。(c) 纵向驱动下输运电流随着外磁场B与驱动频率的关系。从测量结果中可以明显地观察到多组共振谱线，这样的奇偶效应是纵向耦合带来调制效应的直接证据。

中国科学院量子信息重点实验室博士生周圆为论文的第一作者。李海欧教授和郭国平教授为论文的共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省的资助。李海欧教授得到了中国科学技术大学仲英青年学者项目的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01781