Jedną z bardziej obiecujących realizacji fizycznych kubitu, czyli podstawowego nośnika informacji w kwantowych komputerach przyszłości, jest spin elektronu uwięzionego w półprzewodnikowej strukturze kropki kwantowej. Aktualnie trwają intensywne eksperymentalne i teoretyczne poszukiwania układów, w których można wykonać na spinie elektronu kwantowe operacje logiczne. Standardowe metody manipulacji spinem wymagają użycia silnego zewnętrznego pola magnetycznego, co bardzo komplikuje działanie układu.
W rozprawie przedstawiono propozycje inicjalizacji spinu elektronu wykorzystując rezonansowe przejścia pomiędzy stanem singletowym i trypletowym układu dwuelektronowego, indukowane oscylującym sprzężeniem spin-orbita typu Rashby; oraz zestawu kwantowych bramek logicznych pracujących na pojedynczym spinie, z wykorzystaniem sprzężenia typu Dresselhausa. Proponowane rozwiązania nie wymagają zastosowania zewnętrznego pola magnetycznego, a sterowanie uzyskujemy przy pomocy niewielkich napięć przykładanych do lokalnych elektrod.
Wyniki uzyskano z wykorzystaniem bezpośredniego rozwiązania równania Schroedingera zależnego od czasu oraz elektrostatycznych potencjałów — modelowych lub wyliczanych z równania Poissona. Rachunki numeryczne wsparte są analitycznymi formułami opisującymi transformacje spinu.
Manipulation of a single electron spin in a quantum dot without magnetic field
One of the most promising physical implementations of a qubit, which is the basic storage medium in future quantum computers, is an electron spin confined in a semiconductor quantum dot structure. Currently, there are conducted intense experimental and theoretical research of the systems, which can perform quantum logic operations on the electron spin. Standard methods of the spin manipulation require a strong external magnetic field, which greatly complicates the system operation.
The dissertation presents proposals for: (1) a spin qubit initialization resonant transitions between a singlet and triplet state of a two-electron system, which are induced by oscillating Rashba spin-orbit coupling; and (2) a set of single-qubit logic gates, using Dresselhaus coupling. The proposed solutions do not require the use of an external magnetic field, and proposed devices are all electrically controlled by small voltages applied to the local electrodes.
The results were obtained using a direct solution of the Schroedinger equation dependent of time and electrostatic potentials — the model one or calculated from the Poisson equation. Numerical analyses are supported by analytical formulas that describe the transformations of the spin.
