发布日期：2023-07-28
近日，浙江大学信电学院博士生鄢军勇（导师：刘峰研究员）在《Nature nanotechnology》上发表题为 “Coherent control of a high-orbital hole in a semiconductor quantum dot”的研究工作。
研究背景
相干驱动下的半导体量子点是产生非经典光和实现量子逻辑门最有前景的平台之一。近些年，半导体量子点在作为连接光子和电子自旋、核自旋、激子自旋等固态量子比特的接口，已经在光量子技术领域取得了许多重要的进展。
然而，到目前为止，在单量子点中，单个载流子的相干调控主要还局限于最低轨道状态，对轨道态量子比特的相干操纵还没有被实现。这主要是由于量子点中轨道态的能量差在太赫兹频段，而目前商用的可调谐脉冲太赫兹激光器还难以获取，并且由于波长较长，太赫兹信号难以很好地聚焦在极小的单个量子点上。
研究亮点
激光驱动的辐射俄歇跃迁
研究团队利用了一种称作的辐射俄歇(Radiative Auger)跃迁的过程。在此过程中，电子和空穴复合后的能量大部分以光的形式释放能量，另外的一小部分通过将能量转移给另一个电子或空穴来释放（图1）。 辐射俄歇跃迁为量子点中不同轨道态的连接提供了桥梁。
图1. 量子点的荧光光谱，最高能量侧的荧光峰为共振荧光，低能量测的荧光峰信号来自于自发的辐射俄歇跃迁。
实验中，研究团队采用皮秒激光脉冲分别与辐射俄歇跃迁共振（图2a-e），连续增大激光脉冲的功率，观测到激子态和不同轨道态之间的Rabi振荡 （图2f-i）。在π脉冲区域，可以实现对空穴轨道态的高保真度制备。
图2.空穴轨道态的Rabi振荡。a. 激光脉冲时序图。b-d. 脉冲相干驱动辐射俄歇跃迁示意图。e. 量子点的荧光光谱，激光脉冲的波长由箭头标出。f-i. 激光脉冲驱动的Rabi振荡。
空穴轨道态编码的固态量子比特
具备了相干操控轨道态的能力后，研究团队表征了空穴轨道态作为量子比特的基本属性-相干时间。通过两束激光脉冲，研究团队制备出了一个轨道态的量子叠加态，并通过另外两束激光脉冲来探测这个叠加态的演化情况（图3a）。通过分析采集得到的Ramsey干涉条纹信息（图3b-e），获得了轨道态编码的量子比特的相干时间。
图3. Ramsey干涉测量。a. 测量原理示意图。b. Ramsey干涉条纹。c. 干涉对比度随时间的衰减。d. 短时间尺度的Ramsey干涉条纹。e. Ramsey干涉条纹的傅里叶变换谱。
总结
研究团队通过Rabi振荡和Ramsey干涉首次证明了辐射俄歇过程的相干性。利用激光脉冲驱动的俄歇过程，可以实现对量子点中空穴轨道态的高保真度操纵，开发一种新型的固态量子比特。
论文第一作者是浙江大学信电学院博士研究生鄢军勇，通讯作者为浙江大学信电学院刘峰研究员。该工作的合作者还包括浙江大学王大伟研究员、陈文超研究员、方伟副教授、林星研究员、金潮渊研究员、博士生陈晨、张晓东硕士、博士生王雨桐、段华丽；天津大学胡小龙教授；德国波鸿鲁尔大学Arne Ludwig博士和Andreas D. Wieck教授；英国赫瑞-瓦特大学的Moritz Cygorek 博士。本工作受到国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等经费资助。
论文链接：