1、二十世紀(jì)的信息理論給人類社會(huì)帶來了前所未有的發(fā)展，而隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步和量子信息技術(shù)的快速發(fā)展，二十一世紀(jì)將是量子信息的時(shí)代。半導(dǎo)體電控量子點(diǎn)被科學(xué)界認(rèn)為是最有可能實(shí)現(xiàn)固態(tài)量子計(jì)算的量子體系，成為當(dāng)下國際前沿物理學(xué)中最重要和最熱門的研究領(lǐng)域之一。半導(dǎo)體量子點(diǎn)的制備工藝與傳統(tǒng)的芯片工藝有很多相近的地方，因此，該領(lǐng)域的廣泛研究也極大地推動(dòng)了各種微納加工技術(shù)、射頻應(yīng)用測(cè)量技術(shù)和極低溫應(yīng)用測(cè)量技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。本論文就是在此國際前沿

2、研究領(lǐng)域中，針對(duì)半導(dǎo)體砷化鎵柵極電控量子點(diǎn)器件進(jìn)行了極低溫下單電子電荷和自旋測(cè)量的實(shí)驗(yàn)研究。主要針對(duì)兩個(gè)方面：一是利用量子點(diǎn)接觸(QPC)通道的反作用，可以驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)中的電子隧穿出量子點(diǎn)或者從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)。通過電子電荷統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)的測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)上給出了QPC通道對(duì)量子點(diǎn)的反作用強(qiáng)度在定量上的描述。對(duì)于量子點(diǎn)中填充1到6個(gè)電子時(shí)，給出了精細(xì)的電子能級(jí)譜，以及在加了平行磁場(chǎng)以后的電子自旋激發(fā)態(tài)譜。二是利用加脈沖技術(shù)，測(cè)量單量子點(diǎn)中填充2、4

3、、6個(gè)電子時(shí)，電子自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間的弛豫時(shí)間T1隨著量子點(diǎn)中填充電子數(shù)目的變化，以及QPC通道的反作用對(duì)量子點(diǎn)中填充2個(gè)電子時(shí)，自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間弛豫時(shí)間T1的影響。
　　 本論文主要有以下幾部分內(nèi)容：
　　 1．簡單介紹量子計(jì)算、量子點(diǎn)的一些基本概念。闡述了半導(dǎo)體柵極電控量子點(diǎn)研究中，用量子點(diǎn)接觸(QPC)作為測(cè)量通道的高靈敏測(cè)量的基本原理，以及隨機(jī)電報(bào)信號(hào)(RTS)和電子電荷統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)測(cè)量。最后介紹了電子弛豫

4、時(shí)間T1測(cè)量的相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)和基本物理概念。
　　 2．主要介紹制備半導(dǎo)體柵極電控量子點(diǎn)樣品器件的微納加工技術(shù)，詳細(xì)介紹了各種精密加工儀器和樣品加工的整個(gè)技術(shù)工藝和流程，簡單介紹了一些極低溫儀器和極低溫量子輸運(yùn)的測(cè)量技術(shù)。
　　 3．量子點(diǎn)中的電子電荷和量子比特操作等信息，都需要利用量子點(diǎn)旁邊作為靈敏測(cè)量通道的量子點(diǎn)接觸(QPC)進(jìn)行探測(cè)。在所有的實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，都無法避免QPC通道對(duì)需要測(cè)量信息的反作用。因此，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)上利

5、用QPC通道的反作用來驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)中的電子跳出量子點(diǎn)，通過測(cè)量隨機(jī)電報(bào)信號(hào)(RTS)，我們獲得了一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)熱平衡模型有較大偏離的電子電荷統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)。反作用的強(qiáng)度可以通過改變量子點(diǎn)與QPC通道之間的耦合強(qiáng)度和QPC通道的源漏兩端的直流偏壓大小來調(diào)節(jié)。我們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)上發(fā)展了一種新的唯象理論模型來研究我們所觀察到的測(cè)量反作用，通過比較反作用所帶來的電子跳出量子點(diǎn)的額外隧穿幾率的大小，給出了QPC通道對(duì)量子點(diǎn)的反作用強(qiáng)度在定量上的描述。同時(shí)，

6、我們發(fā)現(xiàn)上述兩種調(diào)節(jié)反作用強(qiáng)度的方式對(duì)反作用強(qiáng)度和截止能量的貢獻(xiàn)作用是不同的。
　　 4．實(shí)驗(yàn)上，我們發(fā)現(xiàn)，利用QPC通道的反作用可以驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)中的電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間躍遷。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得的非熱平衡下的電子電荷統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，利用我們?cè)跓崞胶饽Ｐ突A(chǔ)上完善的唯象理論模型，分析出量子點(diǎn)中填充奇數(shù)電子時(shí)的額外隧穿幾率和填充偶數(shù)個(gè)電子時(shí)的自旋單態(tài)和自旋三態(tài)之間的躍遷幾率，給出了自旋單態(tài)與自旋三態(tài)之間的額外躍遷幾率與反作用強(qiáng)度在定量上的依賴關(guān)

7、系，同時(shí)給出了基于自旋三態(tài)和單態(tài)的量子比特操作的保真度。
　　 5．在樣品上加入平行磁場(chǎng)，通過分析電子電荷統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)來探測(cè)量子點(diǎn)中填充單個(gè)電子時(shí)的電子自旋的塞曼劈裂，以及兩個(gè)電子填充時(shí)，自旋三態(tài)能級(jí)簡并解除以后，自旋單態(tài)與自旋三態(tài)之間的躍遷。從而完成了平行磁場(chǎng)條件下的電子自旋激發(fā)態(tài)譜測(cè)量。
　　 6．利用三步脈沖實(shí)驗(yàn)法，測(cè)量自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間的弛豫時(shí)間T1，當(dāng)量子點(diǎn)中填充2,4，6個(gè)電子時(shí)，給出了自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間

8、弛豫時(shí)間隨量子點(diǎn)中填充電子數(shù)目的依賴關(guān)系，以及QPC通道的強(qiáng)測(cè)量反作用對(duì)自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間弛豫時(shí)間T1的影響。
　　 本論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有：
　　 1．首次利用作為測(cè)量通道的量子點(diǎn)接觸(QPC)所帶來的反作用來驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)中電子在非熱平衡狀態(tài)下發(fā)生電子躍遷。通過測(cè)量隨機(jī)電報(bào)信號(hào)(RTS)，獲得非熱平衡下的電子電荷統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，發(fā)展了一種新的唯象模理論型來解釋我們所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，給出了QPC通道對(duì)量

9、子點(diǎn)的反作用強(qiáng)度在定量上的描述。
　　 2．首次在實(shí)驗(yàn)上利用QPC通道所測(cè)量的隨機(jī)電報(bào)信號(hào)(RTS)來獲取量子點(diǎn)中1到6個(gè)電子填充時(shí)的電子能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)測(cè)量反作用可以驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)中的電子在自旋單態(tài)和三態(tài)之間躍遷，利用唯象理論模型擬合，研究了不同反作用強(qiáng)度大小對(duì)作為自旋量子比特基本單元的自旋單態(tài)和三態(tài)之間躍遷幾率的影響在定量上的描述。
　　 3．在平行磁場(chǎng)下，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量的非熱平衡下的電子電荷統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)，來探測(cè)量子點(diǎn)中

10、填充單個(gè)電子時(shí)的電子自旋塞曼劈裂，以及兩個(gè)電子填充時(shí)的自旋單態(tài)與自旋三態(tài)之間的躍遷。首次在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)，在較強(qiáng)的QPC通道的反作用下，電子從自旋單態(tài)更偏向于躍遷至自旋三態(tài)中的T+態(tài)。
　　 4．利用三步脈沖測(cè)量電子弛豫時(shí)間T1的方法，首次獲取了量子點(diǎn)中填充電子數(shù)為2,4，6時(shí)，自旋三態(tài)和自旋單態(tài)之間的弛豫時(shí)間T1，隨著量子點(diǎn)中填充電子數(shù)目的增加，自旋三態(tài)到自旋單態(tài)的弛豫時(shí)間T1迅速減小。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)上，研究了自旋三態(tài)到自旋單態(tài)的弛