Lagrange mesh and exact diagonalization for numerical study of semiconductor quantum dot systems with application in singlet-triplet qubits
我们提出了一个高度灵活的计算方案，用于研究二维半导体量子点中受任意外势约束的关联电子。该方法首先对单粒子态进行拉格朗日网格计算，然后计算它们之间的库仑相互作用矩阵元，并将两者结合在多体哈密顿量的精确对角化中。我们将该方法应用于双量子点单重态-三重态量子比特的模拟。我们模拟了一个单重态-三重态量子比特的全量子控制和动力学。我们还使用我们的方法提供了一个精确的对角化的第一性原理模型研究两个单重态-三重态量子比特和他们的电容耦合通过长距离库仑相互作用。
2013-01-28 cond-mat.mes-hall quant-ph
Voltage-tunable singlet-triplet transition in lateral quantum dots
计算和高源漏输运测量的结果表明，在横向量子点的电子对的纠缠电压可调。在一个固定的磁场中，施加一个选择恰当的门电压，电子对的基态就会从纠缠的自旋单线态变为自旋三线态。
2002-08-19 cond-mat.mes-hall quant-ph
Interlaced Dynamical Decoupling and Coherent Operation of a Singlet-Triplet Qubit
我们实验证明相干恢复的单重态-三重态叠加的交错量子比特旋转之间的卡尔-珀塞尔（CP）回波序列。然后，我们比较性能的哈恩，CP，级联动态解耦（CDD）和Uhrig动态解耦（UDD）的单重态恢复。在当前情况下，其中门噪声和漂移与空间变化的超精细耦合相结合，对移相有显著贡献，并且脉冲具有有限的带宽，CP和CDD产生相当的结果，T2 ~ 80微秒。
2010-12-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Charge noise suppression in capacitively coupled singlet-triplet spin qubits under magnetic field
电荷噪声是阻碍基于量子点的自旋量子比特的高保真操作的主要障碍，特别是双量子比特门的高保真操作。虽然在几种类型的自旋量子比特中已经证明了电荷噪声被充分抑制的某些最佳点，但耦合单重态-三重态量子比特的最佳点的存在尚不清楚。我们从理论上证明，使用完整的组态相互作用计算，一系列的近甜蜜点出现在耦合的单重态-三重态量子比特系统时，施加足够强的磁场外部。我们进一步证明，斜坡和从明智地选择的近甜点使用序列的基础上的捷径绝热提供最大的栅极下的电荷噪声和声子诱导的退相干。这些结果将有助于在单重态-三重态量子比特系统中实现高保真双量子比特门。
2021-04-27 cond-mat.mes-hall quant-ph
Long-Range Triplet Supercurrents Induced by Singlet Supercurrents Parallel to Magnetic Interfaces
采用自旋参数化Kleldysh-Usadel技术的扩散制度，我们表明，即使在低邻近限制，相当长的远程三重态超电流可以有效地产生自旋单重态超电流流动\textit{parallel}的界面均匀的双铁磁层与非共线交换场“{ \it独立}”的实际结的几何形状。三重态超电流被发现是最明显的铁磁条的厚度是不相等的。为了实验验证这一普遍现象，我们提出了一个可访问的和良好的控制结构，可以完全隔离的长程三重态效应。
2015-03-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el
Inverted Singlet-Triplet Qubit Coded on a Two-Electron Double Quantum Dot
限制在双量子点（DQD）中的两个电子的$s_z=0$自旋配置编码单线态-三线态量子比特（STQ）。我们介绍了倒置的STQ（ISTQ），出现从两个量子点（QD）的大小和面外磁场显着不同的设置。在$s_z=0$子空间中，强约束量子点具有双电子单重态基态，而弱约束量子点具有双电子三重态基态。自旋-轨道相互作用在$s_z=0$子空间上起着重要作用，并提供了对ISTQ的通用控制以及对电荷构型的静电操纵。GaAs和InAs DQD可以在实际噪声条件下作为ISTQ工作。
2014-11-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
High Fidelity Single-Shot Singlet-Triplet Readout of Precision Placed Donors in Silicon
在这项工作中，我们进行直接单次读出的单重态，三重态的交换耦合电子限制在硅中的精确放置的施主原子。我们的方法利用了由Pauli自旋阻塞的（2，0）三重态给出的大的能量分裂，由此我们可以实现98.4 $\pm$ 0.2%的单次读出保真度。我们测量的三重态负弛豫时间是在2.5 T的顺序为3秒，并观察到其预测的减少作为磁场的函数，达到0.5秒在1 T。
2018-07-26 cond-mat.mes-hall quant-ph
Hybrid spin and valley quantum computing with singlet-triplet qubits
硅、石墨烯和其他材料的电子能带结构中的谷自由度通常被认为是基于量子点中的电子自旋的量子计算（QC）的障碍。在这里，我们表明，对谷态的控制为量子信息处理开辟了新的可能性。组合在自旋和谷态的单线态-三线态子空间中编码的量子位允许使用由交换相互作用直接提供的通用两量子位门进行通用QC。我们展示了如何将自旋和谷量子位分开，以允许单量子位旋转。
2014-10-29 cond-mat.mes-hall quant-ph
Controllable exchange coupling between two singlet-triplet qubits
我们研究了两个单重态-三重态量子比特之间的可控交换耦合。从四重量子点系统的二次量子化哈密顿量出发，利用投影算符方法得到了两个量子比特之间的有效自旋-自旋相互作用.在强均匀外磁场和非均匀局域微磁场作用下，量子位间的有效耦合为伊辛型，耦合强度可用量子点参数表示.最后，我们讨论了如何利用这种可控耦合产生各种双量子比特操作，如纠缠产生和受控非门。
2012-11-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Phonon-induced dephasing of singlet-triplet superpositions in double quantum dots without spin-orbit coupling
我们证明了双量子点中两电子自旋态的单重态-三重态叠加态经历了声子诱导的纯退相，该退相仅依赖于量子点之间的隧道耦合和泡利不相容原理.因此，这种退相过程独立于自旋轨道耦合或超精细相互作用。退相背后的物理机制是弹性声子散射，其持续到比真实声子诱导跃迁低得多的温度。对横向GaAs/AlGaAs栅定义的双量子点进行定量计算，在亚开尔文温度下产生微秒级的退相时间，这与实验观察一致。
2010-09-14 cond-mat.mes-hall quant-ph
Microscopic theory on magnetic-field-tuned sweet spot of exchange interactions in multielectron quantum-dot systems
由双量子点系统中的双电子状态定义的单重态-三重态量子位（“双电子单重态-三重态量子位”）中的交换相互作用通常随着交换相互作用单调变化，因此不携带最佳点。本文研究了双量子点系统中由四电子态定义的单重态-三重态量子比特（“四电子单重态-三重态量子比特”）。我们证明，使用组态相互作用计算，在四电子单重态-三重态量子比特的交换能量作为失谐的函数可以是非单调的，这表明存在的甜蜜点。我们进一步表明，通过垂直磁场调谐的最佳点和相应的交换能可以与轨道分裂的变化。我们的研究结果表明，具有两个以上电子的单重态-三重态量子比特在实现量子计算方面具有优势。
2022-06-06 cond-mat.mes-hall quant-ph
Low-Frequency Excitation of Singlet-Triplet Transitions. Application to Nuclear Hyperpolarization
耦合对的核自旋-1/2支持一个单重态和三个三重态。单重态和三重态之一之间的跃迁可以由振荡的低频磁场驱动，在耦合到第三核自旋的存在下，以及弱偏置磁场。这种现象允许产生强的${}^{13}\mathrm{C}$核超极化，从${}^{1}\mathrm{H}$自旋对的核单重极化开始，与氢气的富集的对位自旋异构体相关。证明了两个分子系统的超极化。
2021-07-22 quant-ph
Low-noise conditional operation of singlet-triplet coupled quantum dot qubits
我们从理论上研究了电荷噪声对受控相位门的影响，该相位门是用两个静电耦合的近端双量子点实现的。使用组态相互作用方法，我们提出了一个完整的描述的条件控制方案和定量计算的门误差所产生的电荷波动。我们的关键发现是，噪声免疫甜点的存在不仅取决于能量失谐，但也设备的几何形状。最小的电荷噪声的甜蜜点的条件进行了预测分析和数值验证。超越简单的甜蜜点概念，我们证明了快速和低噪声的单三重态两量子比特门的其他最佳情况的存在。
2011-09-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Fault-Tolerant Quantum Computation for Singlet-Triplet Qubits with Leakage Errors
我们描述和分析了单重态-三重态量子比特的泄漏误差。尽管泄漏错误是使用量子点阵列编码的自旋量子比特的自然问题，但在以前的研究中很少受到关注。我们描述了泄漏校正协议的实现，该泄漏校正协议可以与表面码的量子纠错协议一起实现。此外，我们构建显式泄漏减少单位，需要在理想的设置，少至三个操作步骤。我们的研究表明，泄漏错误可以被纠正，而不需要的测量和成本只有几个额外的辅助量子比特和门操作相比，标准的量子纠错码。
2015-02-23 cond-mat.mes-hall quant-ph
Triplet-Triplet Decoherence in Singlet Fission
单重态裂变通常被定义为涉及一个过程，通过该过程，具有局部三重态结构的总体单重态自旋退相干成两个三重态，从而完成裂变过程。这个过程，往往定义在松散的条款，涉及的整体状态的多重性，在这里使用一个统一的海森堡自旋链受到退相环境相互作用的影响。我们介绍了量子信息理论的新结果，该理论使双和多体系统中的相干和纠缠量化成为可能。这些量子效应的计算测量值可以与可观测值联系起来，例如磁化强度和总自旋，与模型的模拟和使用理论方法。我们证明，这些观测值可以作为一个代理的一致性和纠缠措施。这两个在两个本地三重态之间的衰变都可以被监测到，从而能够清楚地定义单重态裂变中的自旋退相干过程。
2020-04-02 physics.chem-ph quant-ph
Resonator-assisted entangling gate for singlet-triplet spin qubits in nanowire double quantum dots
我们提出了一种谐振子辅助的纠缠门，用于高保真度的自旋量子比特。每个自旋量子比特对应于纳米线双量子点中的两个电子，单线态和三重态之一作为逻辑量子比特态。该门受虚电荷偶极跃迁的影响。我们在我们的模型中包括噪声，以显示在当前的实验条件下的方案的可行性。
2010-05-17 quant-ph
Symmetry-Based Singlet-Triplet Excitation in Solution Nuclear Magnetic Resonance
自旋为1/2的原子核的耦合对支持一个单重态和三个三重态。在许多情况下，定义为单线态人口与三重态人口平均值之间的差异的核单线态秩序是一种长期存在的状态，在溶液中持续相对较长的时间。已经提出了各种方法来产生单态阶，从核磁化开始。这需要通过调制的射频场刺激单重态到三重态的跃迁。我们发现，最近描述的脉冲序列，称为PulsePol（Schwartz $\textit{et al.}$，Science Advances，$\textbf{4}$，eaat 8978（2018）和arXiv：1710.01508），是一种将磁化转化为长寿命单线态顺序的有效技术。我们表明，这个脉冲序列的操作可以理解，通过适应魔角旋转固体核磁共振中的重耦合序列的理论。rifling的概念允许PulsePol被解释为使用基于随机性的脉冲序列的理论，并解释其鲁棒性。这个理论是用来推导出一系列新的脉冲序列进行单重态-三重态激发和转换溶液NMR。进一步提高的鲁棒性的转换方案进行了论证。
2022-06-14 quant-ph
Triplet-singlet conversion in ultracold Cs$_2$ and production of ground state molecules
我们提出了一个将超冷亚稳态Cs $_2$分子从最低三重态转变为最低振动能级的（单重态）基态分子的过程。首先将分子泵入激发三重态，通过耦合$A^{1}Σ_{u}^{+} \sim b ^{3}Π_{u}$态的两步自发衰变促进三重态-单重态转换。使用光谱数据和精确的量子化学计算Cs $_2$的电位曲线和跃迁偶极矩，我们表明，这个过程具有很高的速率和竞争有利的单光子衰变回到最低的三重态。此外，我们证明，这种转换过程代表了一个损失通道的亚稳三重态分子的振动冷却，防止有效的光泵浦周期下降到低振动水平。
2010-11-11 physics.atom-ph quant-ph
Fast high-fidelity geometric gates for singlet-triplet qubits
利用几何相位全局性的几何门被认为是实现容错量子计算的有力工具。然而，对于半导体量子点中的单重态-三重态量子比特，由于微波控制的拉比频率较低，导致门控时间过长，构造的几何门更容易受到退相干效应的影响。在这里，我们研究的关键问题是，快速几何门是否可以实现单重态-三重态量子比特，而不引入额外的微波驱动脉冲，同时保持高保真度的门操作在同一时间。我们惊讶地发现，单量子比特和双量子比特几何门都可以通过仅调制哈密顿量的时间相关交换相互作用来实现，其通常可以是$\sim$ GHz的量级，因此相应的门时间为几纳秒。此外，所获得的几何门优于它们的对应物，即，单重态-三重态量子比特的传统动态门，具有相对较高的保真度，超过了$99\%$。因此，我们的方案特别适用于单重态-三重态量子比特，以获得快速和高保真度的几何门。我们的方案也可以扩展到其他系统没有微波驱动器。
2022-03-21 quant-ph
Singlet-triplet splitting, correlation and entanglement of two electrons in quantum dot molecules
从单粒子态的精确赝势描述开始，通过对垂直耦合自组装InAs/GaAs量子点分子中关联电子的组态相互作用处理，我们展示了如何用更简单、更常用的近似方法来描述包括单重态-三重态分裂、纠缠度（DOE）和关联性在内的基本物理特性。类似平均场的单组态方法，如Hartree-Fock和局域自旋密度，缺乏相关性，不正确地识别基态对称性，并给出不准确的单重态-三重态分裂和DOE值。哈伯德模型给出了基态对称性和单重态-三重态分裂的定性正确的结果，但在DOE中产生了显著的误差，因为它忽略了即使分子内的点是相同的，应变也是不对称的这一事实。最后，海森堡模型给出了定性正确的基态对称性和单重态-三重态分裂只有相当大的点间分离，但它大大高估了DOE作为忽略电子双占有效应的结果。
2005-11-16 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Lamb shift in radical-ion pairs produces a singlet-triplet energy splitting in photosynthetic reaction centers
自由基离子对是理解光合作用和鸟类磁罗盘的基础，最近被证明是生物开放量子系统。我们在这里表明，耦合的自由度的自由基对它的消肩振动水库导致移动的自由基对的磁能级。兰姆位移哈密顿量在单重态-三重态基础上是对角的，并且导致单重态-三重态能量分裂在物理上与交换相互作用不可区分。这可能对理解光合作用反应中心的能级结构和动力学具有重要意义。
2014-09-28 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
The two-qubit singlet/triplet measurement is universal for quantum computing given only maximally-mixed initial states
该研究证明了STP=BQP猜想，证实仅需最大混合单量子比特初始系综，双量子比特单重态/三重态测量就具备量子计算通用性，为量子计算提供了参考系无关、基元简单易实现的新方法。
2023-11-09 quant-ph
Quantum relative entropy shows singlet-triplet coherence is a resource in the radical-pair mechanism of biological magnetic sensing
与生物磁场传感相关的自由基对反应是量子生物学范式的一个理想系统，量子生物学范式是探索复杂生物系统中的量子相干效应。我们在这里提供了这个生物化学自旋系统和量子信息科学之间的另一个基本联系。我们引入并探索了一种形式化的测量方法，利用量子相对熵的概念来量化单重态-三重态的相干性。量化单重态-三重态相干性的能力在利用自由基对的磁传感研究中开辟了许多可能性。我们首先使用单重态-三重态相干性的明确量化来肯定地解决量子生物学的大前提，即量子相干性为磁感受提供了操作优势。其次，我们利用非相干操作的概念，说明了当自由基对表现出电子-核纠缠时，核自旋的非相干操作会对单重态-三重态相干性产生可怕的影响。最后，我们揭示了与交换相互作用相关的微妙效应及其在促进量子相干性中的作用。
2020-05-07 physics.bio-ph physics.chem-ph quant-ph
Higher energy triplet-pair states in polyenes and their role in intramolecular singlet fission
探测具有超过亮态（$1^1B_u^+$ / $S_2$）带边的能量的扩展多烯系统通过单线态裂变产生三重态。这一过程被认为不涉及$2^1A_g^-$ / $S_1$状态，表明其他状态起作用。利用密度矩阵重整化群（DMRG）方法对Pariser-Parr-Pople-Peierls哈密顿量进行了计算，研究了可能参与单重态裂变的候选态.发现弛豫态$1^1B_u^-$、$3^1A_g^-$单重态和$1^5A_g^-$五重态均位于$S_2$态之下。我们认为$1^1B_u^-$、$3^1A_g^-$和$1^5A_g^-$的三重态都具有三重态-三重态的特征，这一点通过我们对三重态产物的键二聚化、自旋-自旋相关和波函数重叠的计算得到了证实。因此，我们表明，有一个家庭的单态激发（即，$2^1A_g^-$、$1^1B_u^-$、$3^1A_g^-$、$\cdots$），由三重态对和电子-空穴特征组成，它们基本上是相同的激发，但具有不同的质心能量。这个家族中能量最低的成员，$2^1A_g^-$态，不能进行单重态裂变。但是更高能量的成员（例如，$3^1A_g^-$）态，由于它们增加的动能和减少的电子-晶格弛豫，对于某些链长可以经历单线态裂变。
2020-07-08 cond-mat.str-el physics.chem-ph quant-ph
Open quantum system description of singlet-triplet qubits in quantum dots
我们建立了一个理论模型来描述GaAs量子点中单重态-三重态量子比特的耗散动力学。利用实验获得的共点[M. D. Shulman等人，Science 336，202（2012）]作为指导，我们发现每个逻辑量子比特在模拟$1/f^α$噪声的随机电报噪声（RTN）的作用下波动。我们还研究了作为RTN的振幅，RTN的相关时间，状态的准备时间，和两个量子比特耦合的函数的并发的动力学。此外，我们还发现两个量子比特的耦合以及制备时间对纠缠耗散动力学有很大的影响，这两个物理量都可以用来增强单重态-三重态量子比特之间的纠缠.
2017-01-11 quant-ph
Triplet-singlet conversion by broadband optical pumping
我们证明了最初分布在最低三重态a^{3}_{u}^{+}的几个振动能级上的冷Cs_{2}分子到单重基态X^{1}_{g}^{+}的转换。这种转换是通过宽带激光激发分子到一个精心选择的状态来实现的，从这个状态它们可以衰变到单线态，\textcolor{black}{h two sequential single-photon emission steps: Th} e第一个光子填充具有混合三线态-单线态特征的能级，使得第二个自发发射下降到X^{1} H_{g}^{+}态的几个振动能级成为可能。通过添加振动冷却的光学方案，很大一部分分子被转移到单重态的基振动能级。在文章的最后，讨论了有和没有振动冷却的转换过程的效率。所提出的转换是一般的范围，并可以扩展到其他分子。
2012-03-07 physics.atom-ph physics.chem-ph quant-ph
Realizing singlet-triplet qubits in multivalley Si quantum dots
在GaAs量子点中实现和操纵单重态-三重态量子比特已经取得了重大进展。由于在Si中测得的自旋相干时间相当长，最近在Si量子点中产生了相当大的兴趣。由于谷自由度的存在，这些系统的物理学比GaAs量子点的物理学复杂得多，这构成了这项工作的重点。在本文中，我们研究了硅量子点的物理，并专注于量子相干单重态-三重态量子比特实验的可行性，类似于在GaAs中进行的实验。这种额外的自由度大大增加了基态的复杂性，并在量子位初始化、相干操纵和读出过程中产生了非常重要和有趣的物理学。我们讨论了硅基量子点中量子比特的操作定义。我们发现，当存在谷简并时，不能构造单重态-三重态量子比特，而当谷分裂较大（>>k_B*T）时，实验结果与GaAs相似。我们表明，单重态-三重态量子比特的实验类似于那些在GaAs中将提供一种方法来估计在Si中的谷耦合。塞曼场区分任何谷分裂的不同初始化状态，并提供了一种工具来确定这种分裂的大小。
2009-11-05 cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Quantum-Centric Study of Methylene Singlet and Triplet States
本研究利用52量子比特实验和SQD方法计算CH₂单重态与三重态解离能及能隙，验证了该方法在开壳层系统中的适用性，为量子算法大规模电子结构研究奠定基础。
2024-11-07 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
Inverting Singlet and Triplet Excited States using Strong Light-Matter Coupling
在有机微腔中，混合轻物质状态可以形成与裸分子激发能相差近1 eV的能量。鉴于热激活延迟荧光材料的最新进展，一个及时的问题是，是否可以使用强的光-物质耦合来反转单重态和三重态的顺序，此外，提高反向系间穿越（RISC）率。在这里，我们证明了一个完整的反转的单重态较低的极化激元和三重态激发态。我们还明确地测量RISC率在强耦合的有机微腔，并发现，无论大的能级位移，它是不变的相比，裸分子的薄膜。这种观察结果是由于许多分子中状态的离域性质导致RISC缓慢到达较低极化激元的结果，并且无法与RISC竞争到达暗激子库，这与裸分子中的速率相当。
2019-03-21 physics.app-ph physics.optics quant-ph
