Advanced Physics of Nanosystems

Transkript

1 Ein optisch definiertes Quantenbit wird in D. Press et al., Nature 456, 218 (2008) vorgestellt. Es wird in einem InAs Quantenpunkt realisiert, und basiert auf einem doppelten Lambda-System. Ein typisches Lambda-System ist in der rechts stehenden Abbildung durch das grüne Dreieck gekennzeichnet. Es beschreibt ein Spin-System, welches durch drei lambdaförmig angeordnete Energieniveaus beschrieben und durch Lichteinstrahlung kontrolliert werden kann. In der gezeigten Arbeit kann das Doppel-Lambda-System als effektives Zwei-Niveau System mit Übergangsfrequenz Ω eff betrachtet werden, wie im rechten Teil der Abbildung gezeigt. Zum Lösen dieses s ist diese Darstellung ausreichend! a) Beschreiben Sie, ohne auf Details der Messung einzugehen, anhand der fünf DiVincenzo Kriterien, wie das Qubit in optischen Quantepunkt definiert ist, und wie es kontrolliert und manipuliert werden kann. b) Die Autoren demonstrieren vollständige Kontrolle über die Bloch-Kugel, also die Implementierung eines beliebigen Ein-Qubit-Gatters. Welche Rotationen werden hierfür benötigt, und wie werden sie erzeugt? c) Erläutern Sie qualitativ anhand der Bloch-Kugel, wie Rabi- und Ramsey-Messungen funktionieren! Welche Informationen können aus diesen Messungen gewonnen werden? d) Nennen Sie zwei Vorteile, die nach Meinung der Autoren das beschriebene optisch definierte Qubit auszeichnen! Diskutieren Sie weitere Vor- und Nachteile!

2 Voigt Geometrie: InAs Quantenpunkt: ω L mit Larmor-Frequenz gμbb ω L = = δ e = 2π 26.3 B = 7T

3 Stimulierte Emission, Raman-Streuung und Stimulierte Raman-Streuung: Stimulierte Emission: Stimulierte Raman-Streuung: Raman Streuung: Stokes Rayleigh Anti-Stokes from:

4 (Doppel)-Lambda-System: Ω = eff ΩHΩ Δ V gμ B B ω L = =

5 a) Beschreiben Sie, ohne auf Details der Messung einzugehen, anhand der fünf DiVincenzo Kriterien, wie das Qubit in optischen Quantepunkt definiert ist, und wie es kontrolliert und manipuliert werden kann. Di Vincenzo Kriterien (1) Skalierbares System aus wohldefinierten Qubits: Zwei Spinzustände in einem optisch definierten Halbleiter-Quantenpunkt definieren Quanten-2-Niveau-System (2) Initialisierung: Optisches Pumpen ( ) in Kombination mit spontanem Zerfall höherer Zustände versetzt das System in den Grundzustand (3) Kohärenz: T 1 =?, T 2?, aber T 2 * = 185 ps ( ) ( ) (4) Universeller Satz von Quantengattern: Vollständige kohärente Kontrolle des Spinzustands mit Hilfe von optisch erzeugen Picosekunden-Pulsen: beliebiges 1-Qubit Gatter gezeigt, (5) Qubitspezifische und genaue Zustandsmessung: Optisches Pumpen ( ) und Messung der Emission ( ) mit Einzelphotonenzähler misst die Population in

6 b) Die Autoren demonstrieren vollständige Kontrolle über die Bloch-Kugel, also die Implementierung eines beliebigen Ein- Qubit-Gatters. Welche Rotationen werden hierfür benötigt, und wie werden sie erzeugt? Voraussetzung: Rotationen auf der Bloch-Kugel um beliebige Drehachsen mit beliebigem Drehwinkel. Kontrolle des Drehwinkels: Rabi Oszillationen: - Variation der Leistung des breitbandigen, kurzen Rotationspulses: Kontrolle der Drehachse: Ramsey Experiment: - Variation der Verzögerung τ zwischen den beiden Drehpulsen:

7 b) Die Autoren demonstrieren vollständige Kontrolle über die Bloch-Kugel, also die Implementierung eines beliebigen Ein- Qubit-Gatters. Welche Rotationen werden hierfür benötigt, und wie werden sie erzeugt? Kombination beider Parameter:

8 3: Gekoppelte Quantenpunkte ) Coherent Manipulation of Coupled Electron Spins in Semiconductor Quantum Dots c) Erläutern Sie qualitativ anhand der Bloch-Kugel, wie Rabi- und Ramsey-Messungen funktionieren! Welche Informationen können aus diesen Messungen gewonnen werden? Rabi: Messung von T decay Ramsey: Messung von T 2 * (benötige Spin-Echo für T 2 ) θ τ τ τ π/2 π/2

9 d) Nennen Sie zwei Vorteile, die nach Meinung der Autoren das beschriebene optisch definierte Qubit auszeichnen! Diskutieren Sie weitere Vor- und Nachteile! (1) Schnelle Kontrolle auf ps-zeitskala: Pulsdauer: 4 ps Sequenzdauer: << Larmor-Periode von 38 ps Im Vergleich dazu sind typische Gatterzeiten z.b. bei austauschdefinierten Qubits (vgl. 3) mehrere 100 ps! (2) Information direkt als optische Photonen abrufbar: : Ideal für Quanteninformationsverarbeitung, Photonen können einfach weiter genutzt werden