ISBN 978-3-8439-1329-4

978-3-8439-1329-4, Reihe Physik

Gunnar Petersen
Decoherence mechanisms of laterally defined double quantum dot qubits coupled to the environment

158 Seiten, Dissertation Ludwig-Maximilians-Universität München (2013), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Ein Quantenpunkt ist eine innerhalb einer Nanostruktur definierte, elektrisch leitende Insel. Die geringe Größe der Insel führt bei tiefen Temperaturen zu einer Quantisierung der möglichen Energiezustände des Quantenpunktes. In dieser Arbeit wurde ein System aus zwei gekoppelten Quantenpunkten untersucht. Wird ein solcher Doppelquantenpunkt mit zwei Elektronen beladen, bilden sich molekulare Zustände. Bestimmte Zustandspaare stellen quantenmechanische Zwei-Niveau-Systeme dar, welche kontrolliert initialisiert, manipuliert und ausgelesen werden können. Somit eignen sich diese Systeme, analog zum Bit in der klassischen Informationsverarbeitung, als Quanten Bits (Qubits), der kleinsten Informationseinheit zukünftiger Quantencomputer. Allerdings führt die Wechselwirkung der untersuchten auf Halbleitermaterial basierenden Qubits mit der Umgebung zu Informationsverlust (Dekohärenz) und stellt eine Herausforderung für die Realisierung von Konzepten der Quanteninformationsverarbeitung dar.

Diese Wechselwirkung ermöglicht jedoch auch, Information von Qubits auf die Kerne des umgebenden Halbleiters zu übertragen. Damit wird die Nutzung als Informationsspeicher denkbar. In der vorliegenden Arbeit wurde die Elektronenspin-Kernspin-Wechselwirkung ausgenutzt und ein Verfahren entwickelt, das eine gezielte Manipulation der Kernspins durch Elektronen innerhalb des Doppelquantenpunktes ermöglicht. Es gelang erstmals in lateral definierten Doppelquantenpunkten eine Kernspinpolarisation von bis zu 50% zu erzielen. Dies war nur durch die Kombination eines Doppelquantenpunktes mit einem eindomänigen On-Chip-Nanomagneten möglich.

Ein genaueres Verständnis der einzelnen Wechselwirkungsprozesse eines Qubits mit seiner Umgebung konnte mittels Interferenzexperimenten erreicht werden. Hierzu wurden die Energiezustände des Qubits hochfrequent moduliert. Dies führt bei geeigneten Bedingungen zu Landau-Zener-Stückelberg-Interferenz. Anhand eines Qubits, basierend auf Zuständen unterschiedlicher Ladungskonfiguration, wurde gezeigt, dass das durch die Modulation entstehende Interferenzmuster die vollständige Information über die Wechselwirkung mit der Umgebung enthält. Durch die genaue Analyse experimentell bestimmter und numerisch simulierter Daten konnte die Wechselwirkung des Ladungsqubits mit im Halbleiter befindlichen Phononen als dominierende Dekohärenzquelle identifiziert und deren Kopplungsstärke erstmals unabhängig von den Einflüssen des Ladungsrauschens bestimmt werden.