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基于半导体量子点的量子计算与量子信息(“十一五”国家重点图书)

基于半导体量子点的量子计算与量子信息
基于半导体量子点的量子计算与量子信息(“十一五”国家重点图书)
作者:王取泉 等(著)

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-02222-7
定价:68.00元
版本:1
装帧:软精装
出版年月:200901
丛书名称:当代科学技术基础理论与前沿问题研究丛书:中国科学技术大学校友文库

图书简介:

  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的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。

前言:

  量子计算和量子信息是当今物理学前沿热点研究领域之一。随着纳米材料科学和实验技术的发展,在原子和分子体系多年的研究积累的基础上和相关理论研究的推动下,近几年来在固态量子计算和量子信息方面取得了一系列具有标志性意义的研究进展。其中,被称为“人工原子”的半导体量子点体系,具有可集成性和可扩展性的优点,并且与现有的半导体光电子技术有紧密的联系,从而受到人们的极大关注。
  自2001年Stievater 等在单个InGaAs半导体量子点中观测到激子的Rabi振荡(对应于一个单量子比特的翻转)以来[Phys. Rev. Lett. 87, 133603(2001)],在随后的5年多的时间里相继取得了一系列有突破性意义的重要研究进展。2002年,Zrenner 等实现了半导体量子点单电子二极管[Nature 418, 612(2002)];2003年,X.Q. Li等在单个半导体量子点中实现了CROT量子逻辑门[Science 301, 809(2003)];2005年,Q.Q. Wang等实现了两个激子量子比特上粒子数的交换[Phys. Rev. Lett. 95, 187404(2005)];2006年,Scholz等利用半导体量子点单光子源进行了Deutsch-Jozsa逻辑运算[Phys. Rev. Lett. 96, 180501(2006)];最近,Akopian和Stevenson相继报道了半导体芯片上量子点的可控纠缠光子对的发射[Phys. Rev. Lett. 96, 130501(2006); Nature 439, 179(2006)]。
  以上一系列重要研究成果同样也吸引了国内科技工作者和爱好者的兴趣,但是国内书刊对相关方面的报道却很少。本书的目的有两点:  一方面是为了即时将这一领域的重要研究成果融入教学之中,满足广大青年学生对这个新生交叉研究领域新知识点的兴趣;另一方面也给相关科技工作者和爱好者提供一本前沿课题的参考书。
  由于基于半导体量子点的量子计算和量子信息的研究涉及物理学中凝聚态物理、量子光学、超快非线性光学以及微纳半导体材料和器件等多个学科的交叉,因此,本书中涉及的相关知识点也比较多。为了便于本科生和研究生以及爱好者的阅读,对书中所涉及的量子力学运动方程给出了比较详细的推导过程,全书共分8章由浅入深地进行介绍。第1章和第2章简要介绍半导体量子点基本特性,其中第1章是关于半导体量子点形貌结构特征,第2章是关于半导体量子点的基本相干特性和单量子点的实验探测技术。第3章至第5章涉及量子计算:  第3章介绍半导体量子点激子量子比特旋转及其品质因子,并且比较深入地讨论了量子点体系中多种复杂的退相干机制对其品质因子的影响;第4章介绍半导体量子点中实现CNOT量子逻辑门以及DeutschJozsa逻辑运算,这两者是量子计算中的基本量子逻辑操作;第5章分析和讨论半导体量子点中激子自旋的弛豫机制,并介绍利用相干光学方法实现激子自旋的交换。第6章至第8章涉及量子信息:  其中第6章和第7章分别介绍半导体量子点的单光子发射和级联多光子发射过程;第8章介绍半导体芯片上单个半导体量子点发射纠缠光子对的特性,分析和讨论多种因素对光子偏振纠缠度的影响。在本书的第3章至第8章中,融入了我们在此领域发表的二十余篇研究论文的成果。书中每一章都详细给出了相关研究点上的重要参考文献,这便于读者查阅原始研究论文和进一步研究。
由于该领域研究进展很快,加之作者研究能力和精力所限,还有部分重要研究内容(如荷电半导体量子点以及激子与微腔相互作用等方面)没有在本书中讨论。对于本书中的错误和不妥之处,恳请读者赐教和指正。
  感谢国家自然科学基金委和科技部的资助。衷心感谢薛其坤院士和C.K.Shih教授的热心指教和大力帮助。

作 者
2006年12月 于珞珈山

目录:

总序

前言

第1章 半导体量子点形貌结构特征
1.1 界面涨落量子点
1.2 自组织量子点
1.3 耦合量子点
1.4 微腔中的量子点

第2章 半导体量子点基本相干特性和单量子点探测技术
2.1 半导体量子点基本相干特性
2.2 单量子点探测技术

第3章 半导体量子点激子量子比特旋转及其品质因子
3.1 量子比特旋转基本概念
3.2 半导体量子点激子量子比特自由旋转品质因子Q0
3.3 半导体量子点激子量子比特Rabi振荡品质因子QR
3.4 Rabi振荡退相干机制的分析

第4章 半导体量子点中的量子逻辑运算
4.1 量子逻辑门和量子算法基本概念
4.2 单个半导体量子点中实现控制旋转门CROT
4.3 利用量子交换操作实现两个量子比特态上的粒子数交换
4.4 半导体量子点中DeutschJozsa量子逻辑运算

第5章 半导体量子点中激子自旋弛豫和自旋交换
5.1 半导体量子点中能级解简并与线偏振本征态及其激子自旋
5.2 半导体量子点中激子自旋弛豫特性
5.3 利用Uf控制门实现激子自旋交换

第6章 半导体量子点单光子发射
6.1 光发射统计特性基本概念
6.2 连续激发下单光子发射
6.3 脉冲激发下单光子发射
6.4 脉冲激发下交叉偏振单光子发射
6.5 由脉冲激发过渡到连续激发
6.6 半导体量子点单光子发射实验观测

第7章 半导体量子点级联多光子发射
7.1 单量子点中双激子三能级体系级联光子对的发射特性
7.2 耦合量子点双激子体系级联光子对的发射特性
7.3 三激子体系级联光子对的发射特性

第8章 半导体量子点中可控纠缠光子对的发射
8.1 “光子对”偏振纠缠基本概念
8.2 半导体量子点双激子体系能级结构
8.3 简并双激子体系纠缠光子发射特性
8.4 非简并双激子体系频谱过滤与纠缠光发射

附录1.1 半导体量子点中量子计算和量子信息标志性实验研究进展(2001—2006)
附录2.1 单量子点能级结构示意图以及单量子点探测技术
附录3.1 含浸润层和双激子等多能级跃迁的粒子数运动方程
附录4.1 激子双激子四能级体系激子动力学方程
附录4.2 双脉冲激发下V型三能级系统激子动力学方程
附录5.1 含粒子数泄漏与Auger俘获的激子自旋弛豫动力学方程
附录6.1 量子回归定理及其推论
附录6.2 脉冲激发下简单三能级体系二阶相关函数运动方程
附录6.3 脉冲激发下V型体系二阶相关函数运动方程
附录7.1 双激子三能级体系二阶相关函数运动方程
附录7.2 脉冲激发下耦合量子点体系的二阶相关函数运动方程
附录7.3 激子双激子三激子体系运动力学方程
附录7.4 脉冲激发下激子双激子三激子体系二阶相关函数运动方程
附录8.1 作者及其课题组发表的相关研究论文



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