Nuclear-Spin Induced Electron Spin Decoherence In Semiconductor Quantum dots

Ribeiro, Hugo

Nuclear-Spin Induced Electron Spin Decoherence In Semiconductor Quantum dots

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Datum

2012

Open Access-Veröffentlichung

Open Access Green

Sammlungen

Physik

Publikationstyp

Dissertation

Publikationsstatus

Published

Zusammenfassung

In this thesis we consider fundamental problems in relation to the development of a quantum computer. Early on, it was postulated by researchers like Feynman and Deutsch that only a computer obeying quantum mechanical laws of physics would be efficient enough to simulate any physical system. Since then much effort has been made to build devices that would allow to coherently control a quantum two-level system or qubit (quantum bit), which is the quantum counterpart of a classical bit. Although remarkable achieve- ments have been made towards the ultimate goal of having a functional quantum computer, there are still several obstacles that must be overcome. One of these is decoherence induced via the interaction of the quantum two-level system with its environment.

Here, we focus on spin-based quantum computing. It was proposed to confine electrons in electrically defined quantum dots and use their spin, a natural quantum two-level system, to encode information. One of the major problems with this approach is that if the quantum dot is made out of III-V semiconductor materials, like GaAs (as it is often the case in experimental implementations), then the spin of the electron interacts with the host nuclear spins via hyperfine interactions. This undesirable interaction leads to fast loss of coherence of the spin system turning it into a mere classical system. However, the situation is not as hopeless as it appears, since it is possible to increase coherence times by manipulating nuclear spins.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Diese Doktorarbeit befasst sich mit grundlegenden Problemen in der Entwicklung von Quantenrechnern. Wissenschaftler wie Feynman und Deutsch postulierten schon in den Anfängen, dass nur Computer, deren Arbeitsweise auf den Gesetzen der Quantenphysik basiert, in der Lage sind, ein beliebiges physikalisches System effiziert zu simulieren. Seitdem wurde viel an der Herstellung eines Systems gearbeitet, das es erlauben würde, in kohärenter Weise ein quantenmechanisches Zwei-Niveau-System oder Qubit (Quantenbit) zu kontrollieren. Dabei ist das Qubit das quantenmechanische Gegenstück zum klassischen Bit. Obwohl bemerkenswerte Ergebnisse auf dem Weg zu einem funktionierenden Quantencomputer erzielt wurden, gibt es noch einige Hindernisse, die überwunden werden müssen. Eine davon ist die Dekohärenz aufgrund der Wechselwirkung des quantenmechanischen Zwei-Niveau-Systems mit dessen Umgebung. Diese Arbeit befasst sich mit Spin-basierten Quantencomputern. Es wurde dabei vorgeschlagen, Elektronen in elektrostatisch definierten Quanten- punkten einzusperren und deren Spin, welcher ein natürliches Zwei-Niveau-System darstellt, zur Informationskodierung zu verwenden. Eines der grössten Probleme bei diese Realisierung des Qubits ist, dass wenn die Quantenpunkte aus III-V Halbleitern wie GaAs hergestellt werden (wie bei den meisten experimentellen Verwirklichungen), dann der Spin des Elektrons mit den Kernspins im Gitter über die Hyperfeinstrukturwechselwirkung wechselwirkt. Diese unerwünschte Wechselwirkung führt zu einem schnellen Kohärenzverlust des Spins und macht es zu einem klassischen System. Die Situation ist allerdings nicht so hoffnungslos wie sie zu sein scheint, weil es möglich ist, die Kohärenzzeiten durch Manipulieren der Kernspins zu verlängern.

Fachgebiet (DDC)

530 Physik

Zitieren

ISO 690

RIBEIRO, Hugo, 2012. Nuclear-Spin Induced Electron Spin Decoherence In Semiconductor Quantum dots [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz

BibTex

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Prüfungsdatum der Dissertation

January 25, 2012

Universitätsbibliographie

Ja