| License: Publishing license for publications excluding print on demand (5MB) |
- URN to cite this document:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-271152
- DOI to cite this document:
- 10.5283/epub.27115
| Item type: | Thesis of the University of Regensburg (PhD) |
|---|---|
| Open Access Type: | Primary Publication |
| Date: | 11 January 2013 |
| Referee: | Prof. Dr. Werner Wegscheider |
| Date of exam: | 18 October 2012 |
| Institutions: | Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Huber > Group Dominique Bougeard |
| Interdisciplinary Subject Network: | Not selected |
| Keywords: | GaAs, AlGaAs, InGaAs, 2DEG, inverted 2DEG, quantum-optical interface, two-dimensional electron gas, QD, quantum dot, quantum computing, qubit, magnetotransport, photoluminescence, spectroscopy |
| Dewey Decimal Classification: | 500 Science > 530 Physics |
| Status: | Published |
| Refereed: | Yes, this version has been refereed |
| Created at the University of Regensburg: | Yes |
| Item ID: | 27115 |
Abstract (German)
Die Idee des Quantencomputers begeistert Wissenschaftler verschiedenster Fachgebiete. Bestimmte Probleme, wie die Faktorisierung großer Zahlen, die Suche in Datenbanken oder Simulationen beipielsweise auf dem Gebiet der Quantenchemie können von Quantencomputern wesentlich effizienter gelöst werden als von konventionellen Computersystemen. Das konventionelle Bit, das nur die Zustände ”Null“ und ...
Abstract (German)
Die Idee des Quantencomputers begeistert Wissenschaftler verschiedenster Fachgebiete. Bestimmte Probleme, wie die Faktorisierung großer Zahlen, die Suche in Datenbanken oder Simulationen beipielsweise auf dem Gebiet der Quantenchemie können von Quantencomputern wesentlich effizienter gelöst werden als von konventionellen Computersystemen.
Das konventionelle Bit, das nur die Zustände ”Null“ und ”Eins“ annehmen kann, wird im Quantencomputer durch das Qubit abgelöst, das nicht nur seine Eigenzustände |0> und |1>, sondern auch alle möglichen Superpositionen seiner Eigenzustände annehmen kann.
Durch das Superpositionspronzip und das Phänomen der Verschränkung von Zuständen unterscheidet sich das Qubit fundamental vom konventionellen Bit. Qubits können grundsätzlich mit jedem quantenmechanischen Zweiniveausystem realisiert werden. Verschiedene Konzepte wie Ionen in Ionenfallen, Kernspinresonanz oder auch supraleitende Systeme wie SQUIDS werden auf ihre Verwendbarkeit für Quantencomputer geprüft.
D. P. DiVincenzo hat Kriterien zusammengetragen, die ein Konzept erfüllen muss, um ein geeignetes Qubit-System für Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation darzustellen. Ein nahezu perfekter Kandidat für ein solches Qubit, der viele der DiVincenzo-Kriterien erfüllen kann, ist der Spin des Elektrons mit den Eigenzuständen |up> und |down>. Die Manipulation des Elektronenspins beispielsweise in elektrostatisch definierten Quantenpunkten in einer Halbleitermatrix ist elektronisch sowie optisch inzwischen sehr gut beherrschbar, und mit Halbleiterkristallen von höchster Qualität stehen geeignete Strukturen zur Verfügung, um Qubit-Systeme zu realisieren.
Allerdings beschränkt die Verwendung von Elektronenspins als Qubits das System auf einen Chip. Zwar existieren Auslesemechanismen, diese zwingen das Qubit durch das Auslesen allerdings in einen Eigenzustand, welcher nurmehr dem konventionellen Bit entspricht. Das Qubit kann den Halbleiterkristall nicht verlassen. Quantencomputer sind jedoch untrennbar mit der Quantenkommunikation verbunden, welche durch sogenannte flying qubits realisiert werden muss. Hier bieten sich Photonen an, die die Qubit- Information durch ihren Polarisationszustand abbilden können.
Die freie Konvertierbarkeit zwischen diesen beiden Systemen ist ebenfalls eines der DiVincenzo-Kriterien. Um also beide Konzepte nutzen zu können, fehlt derzeit noch das entscheidende Element: Die Schnittstelle zwischen chipgebundenen Elektronenspin-Qubits und mobilen Photonen-Qubits.
Im Jahr 2006 wurde von H.A. Engel ein Modell für ein "quantenoptisches Interface" vorgeschlagen, das diese Schnittstelle durch die Kopplung zweier Quantenpunkte realisieren soll.
Innerhalb des zweidimensionalen Elektronengases wird durch Gateelektroden ein Quantenpunkt elektrostatisch definiert. Aufgrund der Bandstruktur kann dieser ein Einschlusspotential für Elektronen bereitstellen. Durch Anlegen geeigneter Spannungen im mV-Bereich an diese Gates wird ein Elektron, dessen Spin die Qubit-Information tragen kann, in den QD geladen. Um Ladungsstabilität zu gewährleisten, werden solche QDs bei niedrigen Temperaturen T<1K betrieben. Manipuliert man nun die Spannung an den Gates in geeigneter Weise, so können die Energieniveaus dieses elektrostatisch definierten QDs in Resonanz zu den Energieniveaus eines InAs QDs gebracht werden, der sich oberhalb des 2DEG befindet. Somit kann das Elektron unter Erhaltung der Qubit-Information in den InAs QD tunneln. Da dieser in einer p-dotierten Matrix eingeschlossen ist, befinden sich Löcher im QD, wodurch ein Photon durch Ladungsträgerrekombination entstehen kann. Über den Polarisationszustand des Photons kann das Qubit den Chip verlassen. Dieser Prozess ist durch den Einfang eines Photons und das Tunneln des dabei angeregten Elektrons in den elektrostatisch definierten QD auch umgekehrt möglich. Somit wären theoretisch beide Qubit-Konvertierungsrichtungen denkbar - vorausgesetzt, die Kopplung zwischen beiden Quantenpunkten ist kohärent und kontrollierbar.
Die vorliegende Arbeit befasst sich grundlegend mit einer Analyse des vorgeschlagenen Materialsystems. Ziel ist es, den Schichtaufbau der Heterostruktur zu überprüfen und zu optimieren. Im Fokus steht dabei die Wechselwirkung zwischen selbstorganisierten, optisch aktiven InAs Quantenpunkten und einem zweidimensionalen Elektronengas, das die Grundlage für den benötigten elektrostatisch definierten QD bildet. Diese Wechselwirkung ist einerseits notwendig, um überhaupt ein gekoppeltes System zweier Quantenpunkte erreichen zu können, andererseits zeigt diese Interaktion auch störende Effekte durch Gitterverspannungen und Coulombwechselwirkung, die die Qualität des 2DEG und der InAs-Quantenpunkte teilweise drastisch reduzieren. Die konkrete Realisierung der gatedefinierten Quantenpunkte wird im Rahmen dieser Arbeit nicht behandelt, da zu diesem Thema bereits zahlreiche Veröffentlichungen existieren. Hier wird lediglich die prinzipielle Eignung der vorgeschlagenen Heterostruktur für die Erzeugung eines solchen Quantenpunkts gezeigt. Dazu wird insbesondere die Verschlechterung der Qualität des 2DEG durch die Gegenwart von QDs untersucht sowie der Einfluss des 2DEG auf die optischen Eigenschaften von InAs Quantenpunkten.
Die Arbeit fasst notwendige theoretische Konzepte zusammen und beschreibt die Herstellung und Prozessierung des Probenmaterials vom Wachstum der Wafer bis hin zur Erzeugung einzelner Strukturen. Weiterhin werden die Messverfahren erläutert, mittels derer die verschiedenen optischen wie auch elektrischen Charakterisierungsmessungen des verwendeten Probenmaterials durchgeführt werden.
Die optoelektrischen Eigenschaften selbstorganisierter InAs-Quantenpunkte werden untersucht. Dies beinhaltet die Betrachtung der Form und Verteilung der Quantenpunkte ebenso wie spektroskopische Untersuchungen und elektrische Messungen zur Bestimmung der Energieniveaus. Der Einfluss von Gatestrukturen und der Effekt geladener Quantenpunkte auf die Transporteigenschaften zweidimensionaler Elektronengase wird untersucht.
Abschließend findet sich eine Zusammenfassung der wichtigsten Ergebnisse sowie ein Ausblick bezüglich der Realisierbarkeit eines solchen quantenoptischen Interfaces.
Translation of the abstract (English)
The idea of a quantum computer fascinates scientists of different fields. Certain problems, like factorizing big numbers, searching in data bases or simulations in the field of quantum chemistry can be solved by quantum computers much more efficient than by conventional computers. In a quantum computer, the classical bit, which can only consist of the states "zero" and "one" is replaced by the ...
Translation of the abstract (English)
The idea of a quantum computer fascinates scientists of different fields. Certain problems, like factorizing big numbers, searching in data bases or simulations in the field of quantum chemistry can be solved by quantum computers much more efficient than by conventional computers.
In a quantum computer, the classical bit, which can only consist of the states "zero" and "one" is replaced by the qubit, which can not only adopt its eigenstates |0> and |1>, but also every possible superposition of eigenstates.
By the principle of superposition as well as the phenomenon of entanglement of states the qubit differs fundamentally from the classical bit. Qubits can be made of literally any quantum mechanical two level system. Different approaches like trapped ions, nuclear magnetic resonance, or even superconducting systems like SQUIDs are investigated for usability for quantum computing.
D. P. DiVincenzo collected criteria, which have to be fulfilled by an approach in order to be accepted as a usable qubit system for quantum computing and quantum communication. An almost perfectly suited candidate for such a qubit, being able to fulfill many of the DiVincenzo criteria, is the electron spin with its eigenstates |up> and |down>. Manipulating electron spin for instance in electrostatically defined quantum dots in a semiconductor matrix is electronically as well as optically well controlled by now, and with semiconductor crystals of highest quality, suitable structures are available to realize qubit systems.
However, the use of electron spin as a qubit limits the system to a chip. Tough there are readout mechanisms, the qubit is forced to an eigenstate during readout by them, which now equals the conventional bit. The qubit cannot leave the crystal. Quantum computers are, however, intrinsically tied to quantum communication, to be realized by flying qubits. Photons turn out to be ideally suited therefore, as they can reflect qubit information in their polarization state.
Qubit conversion between these two systems is also one of the DiVincenzo criteria. So, to make use of both concepts, the crucial element is still missing: The interface between chip bound electron spin qubits and mobile photon qubits.
In 2006, H. A. Engel proposed a model for a "quantum optical interface", which should realize this very interface by coupling two quantum dots.
Within a two dimensional electron gas, a quantum dot is defined electrostatically by gate electrodes. The band structure leads to a confinement potential for electrons. By applying a suitable gate voltage of the order of mV, an electron carrying qubit information, is loaded into the QD. To achieve charge stability, QDs like this are operated at low temperatures T<1K. By suitable manipulation of gate voltages, the states of energy of this electrostatic QD can be brought to resonance to an adjacent InAs QD. By this, the electron may tunnel to the InAs QD while maintaining the qubit information. As this QD is embedded in a p doped matrix, there will be holes in the QD, which may lead to formation of a phonon by carrier recombination. Via the polarization state of the photon, the qubit can now leave the chip. This process is also possible vice versa by capturing a photon and tunneling of the excited electron to the electrostatically defined QD. Hence, both qubit conversion directions would be possible, given that the coupling between the two QDs is coherent and controllable.
This work is a fundamental analysis of the proposed material system. It aims towards reviewing and optimizing the heterostructure setup. The focus is on the interaction between self assembled, optically active InAs QDs and a two dimensional electron gas, which is the fundamental base for the required electrostatically defined QD. One the one hand, this interaction is necessary to achieve a coupled system of QDs at all, on the other hand, this interaction shows parasitic effects by lattice strain and coulomb interaction, leading to a drastical quality reduction of the 2DEG and the InAs QDs.
The practical realization of gate defined QDs is not a topic of this work, as there is already a igh number of existing publications considering this topic. Here, only the usability of the proposed heterostructure to realize such a QD is shown. Particularly, the reduced quality of the 2DEG in presence of QDs as well as the influence of the 2DEG on the optical properties of InAs QDs is investigated here.
This work summarizes necessary theoretical concepts and describes the assembly of samples from epitaxial growth to processing of lateral structures. Moreover, measurement techniques are explained that were used to determine the optical and electrical properties of the investigated samples.
The opto-electrical properties of self assembled InAs QDs are investigated. This comprises the examination of shape and distribution of the QDs as well as electrical measurements for energy level determination. The influence of gate structures and the effect of charged QDs on transport properties of two dimensional electron gases is examined.
Finally, there is a section of important results in a nutshell as well as an outlook on feasibility of such a quantum optical interface.
Metadata last modified: 26 Nov 2020 03:27
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