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Schütz, Martin J. A. (2015): Quantum dots for quantum information processing: controlling and using their environment. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik
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Abstract

Electron spins confined in quantum dots (QDs) are among the leading contenders for implementing quantum information processing. In this Thesis we address two of the most significant technological challenges towards developing a scalable quantum information processor based on spins in quantum dots: (i) decoherence of the electronic spin qubit due to the surrounding nuclear spin bath, and (ii) long-range spin-spin coupling between remote qubits. To this end, we develop novel strategies that turn the unavoidable coupling to the solid-state environment (in particular, nuclear spins and phonons) into a valuable asset rather than a liability. In the first part of this Thesis, we investigate electron transport through single and double QDs, with the aim of harnessing the (dissipative) coupling to the electronic degrees of freedom for the creation of coherence in both the transient and steady-state behaviour of the ambient nuclear spins. First, we theoretically show that intriguing features of coherent many-body physics can be observed in electron transport through a single QD. To this end, we first develop a master-equation-based formalism for electron transport in the Coulomb-blockade regime assisted by hyperfine (HF) interaction with the nuclear spin ensemble in the QD. This general tool is then used to study the leakage current through a single QD in a transport setting. When starting from an initially uncorrelated, highly polarized state, the nuclear system experiences a strong correlation buildup, due to the collective nature of the coupling to the central electron spin. We demonstrate that this results in a sudden intensity burst in the electronic tunneling current emitted from the QD system, which exceeds the maximal current of a corresponding classical system by several orders of magnitude. This gives rise to the new paradigm of electronic superradiance. Second, building upon the insight that the nuclear spin dynamics are governed by collective interactions giving rise to coherent effects such as superradiance, we propose a scheme for the deterministic generation of steady-state entanglement between the two nuclear spin ensembles in an electrically defined double quantum dot. Because of quantum interference in the collective coupling to the electronic degrees of freedom, the nuclear system is actively driven into a two-mode squeezedlike target state. The entanglement buildup is accompanied by a self-polarization of the nuclear spins towards large Overhauser field gradients. Moreover, the feedback between the electronic and nuclear dynamics is shown to lead to intriguing effects such as multistability and criticality in the steady-state solutions. In the second part of this Thesis, our focus turns towards the realization of long-range spin-spin coupling between remote qubits. We propose a universal, on-chip quantum transducer based on surface acoustic waves in piezo-active materials. Because of the intrinsic piezoelectric (and/or magnetostrictive) properties of the material, our approach provides a universal platform capable of coherently linking a broad array of qubits, including quantum dots, trapped ions, nitrogen-vacancy centers or superconducting qubits. The quantized modes of surface acoustic waves lie in the gigahertz range, can be strongly confined close to the surface in phononic cavities and guided in acoustic waveguides. We show that this type of surface acoustic excitations can be utilized efficiently as a quantum bus, serving as an on-chip, mechanical cavity-QED equivalent of microwave photons and enabling long-range coupling of a wide range of qubits. In summary, this thesis provides contributions towards developing a scalable quantum information processor based on spins in quantum dots in two different aspects. The first part is dedicated to a deeper understanding of the nuclear spin dynamics in quantum dots. In the second part we put forward a novel sound-based strategy to realize long-range spin-spin coupling between remote qubits. This completes a broad picture of spin-based quantum information processing which integrates different perspectives, ranging from the single-qubit level to a broader quantum network level.

Abstract

Elektronenspins in Quantenpunkten gehören zu den vielversprechendsten Ansätzen für die erfolgreiche Implementierung von Quanteninformationsverarbeitung. Diese Arbeit behandelt zwei der größten Herausforderungen für die Entwicklung eines skalierbaren Quanteninformationsprozessors auf Basis von Spins in Quantenpunkten: (i) die Kontrolle der Dekohärenz des elektronischen Spins aufgrund der Wechselwirkung mit dem umliegenden Kernspin-Bad, und (ii) die Realisierung einer langreichweitigen Spin-Spin Kopplung zwischen entfernt liegenden Qubits. Zu diesem Zweck entwickeln wir neue Strategien, die die unvermeidliche Kopplung an die Festkörperumgebung (insbesondere Kernspins und Phononen) zu ihrem Vorteil ausnutzen. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir den Elektronentransport durch Einzel- und Doppel-Quantenpunkte, mit dem Ziel die dissipative Kopplung an die elektronischen Freiheitsgrade zur Erzeugung von kohärenter Kernspindynamik auszunutzen. Dies gilt sowohl für das kurzfristige wie auch das langfristige Verhalten der Kernspins. Zunächst zeigen wir theoretisch, dass faszinierende Eigenschaften kohärenter Vielteilchenphysik im Elektronen-transport durch einen einzelnen Quantenpunkt beobachtet werden können. Dazu entwickeln wir zunächst einen auf Master-Gleichungen basierenden Formalismus für den Elektronentransport im Coulomb-Blockade Regime, der die Hyperfeinwechselwirkung mit dem Kernspin-Ensemble im Quantenpunkt berücksichtigt. Dieses allgemeine theoretische Werkzeug wird anschließend verwendet, um den Strom durch einen einzelnen Quantenpunkt in einem Transportszenario zu studieren. Sind die Kernspins anfänglich in einem unkorrelierten, hoch polarisierten Zustand, so bauen sich aufgrund der kollektiven Wechselwirkung mit dem zentralen Elektronenspin starke Korrelationen zwischen den Kernspins auf. Wir zeigen, dass dies zu einem plötzlichen, starken Anstieg im Tunnelstrom durch den Quantenpunkt führt, welcher den maximalen Strom in einem analogen klassischen System um mehrere Größenordnungen übersteigt. Dieses Verhalten begründet das neue Paradigma von elektronischer Superradianz. Ausgehend von der Einsicht, dass die Kernspindynamik von kollektiven Wechselwirkungen bestimmt wird, welche wiederum zu kohärenten Effekten wie Superradianz führen können, schlagen wir im nächsten Schritt ein Modell zur deterministischen Verschränkungserzeugung zwischen den beiden Kernspinensembles in einem elektrisch definierten Doppelquantenpunkt vor. Aufgrund von Quanteninterferenz in der kollektiven Kopplung an die elektronischen Freiheitsgrade wird das Kernspinsystem aktiv in einen gequetschten zwei-Moden Zustand gepumpt. Der Aufbau von Verschränkung wird durch einen Polarisationsprozess der Kernspins hin zu großen Overhauser-Feldern begleitet. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Rückkopplung zwischen elektronischen und Kernspin-Freiheitsgraden zu interessanten Effekten wie zum Beispiel Multistabilität und kritischem Verhalten in den stationären Lösungen führt. Im zweiten Teil der Arbeit wenden wir uns der langreichweitigen Spin-Spin Kopplung zwischen entfernt liegenden Qubits zu. Dazu schlagen wir einen universellen Quanten-Transducer vor, der auf akustischen Oberflächenwellen in piezo-aktiven Materialen beruht und direkt auf Chips aufgebracht werden kann. Aufgrund der piezo-elektrischen (und/oder magnetostriktiven) Eigenschaften des Materials bietet unser Ansatz eine universelle Platform für eine ganze Reihe von Qubits; dazu gehören Quantenpunkte, Ionen, Stickstoff-Fehlstellen-Zentren (NV-Zentren) oder auch supraleitende Qubits. Die quantisierten Moden der akustischen Oberflächenwellen haben typische Frequenzen im Gigahertz-Bereich, können stark in der Nähe der Oberfläche in phononischen Resonatoren lokalisiert werden und entlang akustischer Wellenleiter geleitet werden. Wir zeigen, dass diese Art der akustischen Oberflächenanregung effizient als Quanten-Bus verwendet werden kann, der als mechanisches Analogon zu Mikrowellen-Photonen in der Resonator-Quanten-Elektrodynamik fungiert und langreichweitige Kopplung zwischen entfernt liegenden Qubits ermöglicht. Zusammenfassend liefert diese Arbeit einen Beitrag zur Entwicklung eines skalierbaren, auf Spins in Quantenpunkten beruhenden Quanteninformationsprozessors aus zwei verschiedenen Perspektiven. Der erste Teil widmet sich eines tiefgehenderen Verständnisses der Kernspin-dynamik in Quantenpunkten. Im zweiten Teil schlagen wir eine neue, auf Schall basierende Strategie zur Erzeugung von langreichweitiger Spin-Spin Kopplung zwischen entfernt liegenden Qubits vor. Dies vervollständigt ein breites Bild von Spin-basierter Quanteninformationsverarbeitung, welches verschiedene Perspektiven vereinigt, von der Ebene einzelner Qubits bis hinzu einer umfassenderen Ebene eines Quanten-Netzwerks.