量子科学出版工程丛书|周末读书

中国物理学会期刊网 2021-03-24

“量子科学出版工程”是一套丛书，本次活动我们选取了其中一本《量子计算：基于半导体量子点》以飨读者，想获得该书的读者可以在后台留言，写下您试读的体会，留言点赞前5名的读者将获赠该书一本。截止时间是10月26日早8点，10点会公布5位获奖者名单。期待您的参与！

项目介绍

“量子科学出版工程”是服务国家重大战略需求，服务量子科学前沿研究的立体化学术出版工程，内容涉及量子科学前沿基础理论、量子信息、量子计算、量子精密测量等基础理论和前沿应用技术。在潘建伟、郭光灿、杜江峰、薛其坤、王建宇、吴曼青等院士支持下，本工程集合国内量子科学研究主要团队一流科学家作者队伍，系统总结和整理了我国当前量子科学领域的重要成果，并积极吸收国内外优秀学术成果；同时吸收了国际一流的量子科学基础理论和前沿研究著作，在新时代也是”第二次量子科学革命“到来之际，希望”量子科学出版工程“成为具有国际影响的前沿科技示范学术出版工程，并诞生出一批经典学术著作，在国家学术界发出强有力的”中国声音“。

丛书书名

《量子科学重点前沿突破方向》《量子物理若干基本问题》《量子计算：基于半导体量子点》《量子光学：从半经典到量子化》《量子色动力学及其应用》《量子系统控制理论与方法》《量子机器学习理论与方法》《量子光场的衰减与扩散》《编程宇宙：量子计算机科学家解读宇宙》《量子物理学.上册：从基础到对称性和微扰论》《量子物理学.下册：从时间依赖动力学到多体物理与量子混沌》《世纪幽灵：走进量子纠缠》

特别引荐

书名：量子计算：基于半导体量子点

丛书名：量子科学出版工程.第一辑

外文书名：Quantum Computation：Based on Semiconductor Quantum Dots

作者/译者：王取泉，程木田，刘绍鼎等著

读者对象：大学物理专业本科生、研究生和相关研究人员

内容简介：本书以清晰的物理图像和丰富的实验结果比较全面地介绍了基于半导体量子点激子的量子计算和量子信息方面的最新研究进展。全书共分8章，第1章和第2章是半导体量子点形貌结构和基本特性的简要介绍；第3章至第5章是关于激子量子比特旋转和量子逻辑运算等量子计算方面的研究进展；第6章至第8章则是关于激子复合单光子发射和纠缠光子对发射等量子信息方面的研究进展。本书可以作为凝聚态物理、光学、材料科学、量子计算科学等有关专业高年级本科生和研究生的教学参考书，也可供上述领域的科技工作者参考。

作者简介：王取泉，武汉大学物理科学与技术学院教授、博导，珞珈学者特聘教授。组建武汉大学固态量子调控超快光学实验室，从事半导体量子点量子计算、量子信息和金属纳米结构表面等离子体耦合与高阶非线性过程等方面的研究。

内容节选

第1章半导体量子点形貌结构特征

引言

半导体量子点是指三维空间受限的半导体纳米构.纳米尺度下的量子限制效应造成其类似原子的分立能级,因此,半导体量子点也被称为“人工原子”通过控制量子点的形状和大小可以有效地调节其能级结构,从而极大地扩展半导体器件的应用领域.近年来,半导体量子点在量子计算和量子信息方面的研究备受人们的关注,并且已经取得了系列的重要进展.

半导体量子点的制备工艺和方法多种多样,如由量子阱异质结构界面起伏涨落而自然形成的界面涨落型量子点(IFODS)、分子束外延生长中应力造成的自组织量子点(SAODS)、微纳加工刻蚀形成的量子点以化学方法合成的量子点,等等。前三种方法直接将量子点生长和加工在半导体芯片上,有利于其集成器件的研究和应用本章共5节,分别简要介绍界面涨落量子点、自组织量子点、耦合量子点和微腔中的量子点以及新型杂化量子点.

1.1界面涨落量子点

界面涨落型量子点最初是在半导体量子阱异质界面观察到的.以最典型的、研究最多的GaAs/AlAs为例,用分子束外延(MBE)生长在GaAs基底上轮流生长GaAs、AlAs量子阱,形成GaAs/AlAs异质界面^[1-5].最初,人们致力于制造界面绝对平滑的量子阱异质结构,但是生长过程中Ga和Al与As的结合强度不同(Ga-As键强度小于Al-As键),导致界面上Ga和Al的迁移长度不同,因而形成异质界面起伏涨落^[1,6].对窄量子阱而言,几个单层(ML)范围内的厚度起伏涨落就会导致相当大的界面势能升降^[5],量子阱相对较厚的地方,其限制能会低于周围部分,形成势阱,导致粒子横向运动受限.其能级结构如图1.1所示.

图1.1 量子阱形貌结构示意图(a)及其能级结构示意图(b)

图1.1中量子阱异质结构为 AlGaAs/GaAs/ AlGaAs三明治型,可见中间GaAs层相对较厚的地方,其能量低于周围,形成势阱，导致势阱中的粒子除纵向外,横向运动也受到限制.厚度越厚,势阱越深,对粒子横向运动的限制越强.这种厚薄不均匀的窄量子阱可以视为量子点的无序阵列,被称为界面涨型量子点^[4].GaAs量子点的实际形态如图1.2所示^[7].

图1.2 界面涨落型GaAs量子点STM像

GaAs样品保持在生长温度下,处于As流中几分钟,未经冷却和其他测量.灰度表示高低. (引自Gammon D, et al. Phys. Rev. Lett. 1996. 76(3005))

由图1.2可见,界面涨落型量子点尺寸为数百nm,沿一定的方向生长,高度约为1ML(单层),由于它是随机生成的,因此没有特定一致的形状和大小.界面涨落型量子点的这种定向生长特性会导致其光谱的偏振特性,将在量子点能级结构中细述.

低温下,单个界面涨落型量子点表现出类原子谱线,其激子能级结构和寿命对其形状和大小非常敏感,因此发光谱线位置也随形状大小不同而不同.对随机自然产生的界面涨落型量子点而言,其形状各异,尺寸分布较广,在同一样品上不同量子点的能级特性也会有所差异.通常观察到的半高宽达到几meV的发光谱线是大量量子点发光的集合效应,难以观测单个界面涨落型量子点的分立能级所表现出的尖锐类原子谱线.1994年,A.Zrenner小组将激发光斑从100μm缩小到2μm,即减少被激发的量子点数目,发现在原有的4.5meV半高宽的量子阱谱线上出现了锐的发光峰,半高宽约为0.5meV，如图1.3(a)所示.他们认为这些新的尖锐的发光峰来自不同的单个界面涨落型量子点^[4],由n=1~7标示.但是此时仍未能将单个界面涨落型量子点的信息完全隔离出来.

随后,在像平面设置微孔将探测范围限制在1.5μm^[8],以及在样品表面设置微孔Al掩膜^[7,9,16],都观察到了单个界面涨落型量子点的发光.后一种方法在日后的单量子点研究中被广泛采用,量子阱发光特性随表面Al掩膜微孔大小的变化如图1.4所示^[9].可见,当孔径为25μm时,完全观察不到单个量子点的谱线;当孔径达到0.8μm时,能够观察到单个量子点的谱线,但大量量子点的集合发光宽峰仍然存在;当孔径达到0.5μm时,单个量子点发光峰才基本上完全分离出来.因此,当采用Al掩膜微孔观测单个量子点发光,或对单量子点进行相干操纵时,基本采用~0.5μm的微孔^[10-15].如2001年,T.h.Stievater在GaAs界面涨落型量子点中首次观察到量子点的Rabi振荡^[11].2003年,X.Q.Li等人在单个界面涨落型量子点首次现CROT量子逻辑门全光操纵^[13].

图1.3 GaAs界面涨落型PL图

(a)当光斑直径dL=100μm时,为大量量子点集合发光峰;(b)当光斑直径d=2μm时,在集合发光峰上出现单个GaAs界面涨落型量子点的尖锐谱线,由n=1~7标示 (引自Zrenner A, et al, Phys. Rev. Lett., 1994, 72(3382))

界面涨落型量子点线度大,束缚能弱,一般在50mV以内;激子能级间距小,约为几mev,能级寿命也较短;但其跃迁偶极矩大(~100 Debye)^[11],与外场的作用强,耦合强度直接由量子点内激子态束缚能决定^[14].不仅以作为与半导体微腔耦合的电子跃迁 (electron transition coupled to a mode of a semiconductor microcavity)^[15,17],提高半导体微腔的Q因子和耦合常数^[18],还可以作为全光半体量子逻辑门的量子比特^[13,19,20].在这类量子点中第一次观测到单个量子点的Rabi振荡^[11],并最早实现了两个比特CROT门的全光操纵^[13].