Quantum computation with two-electron spins in semi-conductor quantum dots

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Harju, Ari, Adjunct Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.contributor.author Hiltunen, Tuukka
dc.date.accessioned 2015-05-13T09:00:53Z
dc.date.available 2015-05-13T09:00:53Z
dc.date.issued 2015
dc.identifier.isbn 978-952-60-6200-6 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-6199-3 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/15993
dc.description.abstract A quantum computer would exploit the phenomena of quantum superposition and entanglement in its functioning and with them offer pathways to solving problems that are too hard or complex to even the best classical computers built today. The implementation of a large-scale working quantum computer could bring about a change in our society rivaling the one started by the digital computer. However, the field is still in its infancy and there are many theoretical and practical issues needing to be solved before large-scale quantum computing can become reality.  In digital computers, data is stored in bits. The quantum equivalent is called a qubit (quantum bit) and it is basically a quantum mechanical two-level system that can be in a superposition of its two basis states. There are many different proposals for implementing qubits, but one of the most promising ones is to encode the qubit using electron spins trapped in semiconductor quantum dots. Singlet-triplet qubits are spin qubits where the two-electron spin eigenstates are used as the qubit's basis. The required one and two-qubit operations have already been demonstrated experimentally by several research groups around the world in this qubit architecture. The most severe factor limiting the implementation of larger systems of qubits is decoherence. The qubits are not isolated systems, they interact with their environment, which can lead to the loss of quantum information.  Few-electron systems can be simulated accurately using first principle methods that become too taxing when the particle number increases. The topic of this thesis is the simulation of quantum dot singlet-triplet qubit systems using accurate exact diagonalization based methods. The emphasis is on the realistic description of qubit operations, both single-qubit ones and those involving the interaction between neighboring qubits. The decoherence effects are also discussed alongside with certain proposals to alleviate their effects. en
dc.description.abstract Kvanttitietokone hyödyntäisi kvantti-ilmiöitä, kuten superpositiota ja lomittumista ja mahdollistaisi tiettyjen nykyisille klassisille tietokoneille vaikeiden ongelmien ratkaisemisen. Suuren mittakaavan kvanttilaskenta saattaisi muuttaa yhteiskuntaamme yhtä perustavalla tavalla kuin digitaalisen tietokoneen keksiminen 1900-luvulla. Toimivaan ison mittakaavan kvanttitietokoneeseen on kuitenkin yhä matkaa, ja on useita teoreettisia ja käytännöllisiä ongelmia, jotka täytyy ratkaista ennen kuin tästä tulee todellisuutta.  Klassisessa tietokoneessa data tallennetaan bitteihin. Bitin kvanttivastinetta kutsutaan kubitiksi. Se on kvanttimekaaninen kaksitasosysteemi, joka voi olla ominaistilojensa superpositiossa. Kubitti voidaan realisoida monessa erilaisessa systeemissä. Yksi lupaavimmista ehdotuksista on käyttää puolijohdekvanttipisteisiin vangittujen elektronien spinejä kubitin pohjana. Jos kubitin tilat muodostuvat kahden elektronin spin-ominaistiloista, kubittia kutsutaan singletti-tripletti kubitiksi. Universaaliin kvanttilaskentaan tarvittavat yksi- ja kaksikubittioperaatiot on jo toteutettu kokeellisesti singletti-tripletti kubiteilla. Suuren mittakaavan kubittisysteemien implementoimista estävät tällä hetkellä ennen kaikkea dekoherenssi-ilmiöt. Kubitit eivät ole eristettyjä systeemejä; ne vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa, mikä johtaa kvantti-informaation katoamiseen.  Muutaman elektronin systeemejä voidaan mallintaa tarkoilla yksittäisten elektronien tasolla toimivilla malleilla. Monet tällaiset mallit ovat liian kompleksisia laskennallisesti suurempien systeemien simuloimiseen, mutta soveltuvat hyvin esimerkiksi muutaman singletti-tripletti kubitin tapaukseen. Tämän väitöskirjan aihe kvanttipiste singletti-tripletti kubittien mallintaminen käyttäen tarkkoja ns. exact diagonalization-metodeita. Painopiste on yksi- ja monikubittioperaatioiden tarkassa kuvaamisessa. Myös dekoherenssi-ilmiöitä ja tiettyjä ratkaisuja niiden helpottamiseksi käsitellään. fi
dc.format.extent 117
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 66/2015
dc.relation.haspart [Publication 1]: Tuukka Hiltunen and Ari Harju. Y-junction splitting spin states of moving quantum dot. Physical Review B (Rapid Communications), 86, 12, 121301(R), September 2012. DOI: 10.1103/PhysRevB.86.121301.
dc.relation.haspart [Publication 2]: Tuukka Hiltunen, Juha Ritala, Topi Siro, and Ari Harju. Non-adiabatic charge state transitions in singlet-triplet qubits. New Journal of Physics, 15, 10, 103015, October 2013. DOI: 10.1088/1367-2630/15/10/103015.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Tuukka Hiltunen and Ari Harju. Maximal tripartite entanglement between singlet-triplet qubits in quantum dots. Physical Review B, 89, 11, 115322, March 2014. DOI: 10.1103/PhysRevB.89.115322.
dc.relation.haspart [Publication 4]: Tuukka Hiltunen and Ari Harju. Capacitative coupling of singlet-triplet qubits in different interqubit geometries. Physical Review B, 90, 12, 125303, September 2014. DOI: 10.1103/PhysRevB.90.125303.
dc.relation.haspart [Publication 5]: Tuukka Hiltunen, Hendrik Bluhm, Sebastian Mehl, and Ari Harju. Charge-noise tolerant exchange gates of singlet-triplet qubits in asymmetric double quantum dots. Physical Review B, 91, 7, 075301, February 2015. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.075301.
dc.relation.haspart [Publication 6]: Michiel A. Bakker, Sebastian Mehl, Tuukka Hiltunen, Ari Harju, David P. DiVincenzo. Validity of the single-particle description and charge noise resilience for multi-electron quantum dots. Physical Review B, 91, 15, 155425, April 2015. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.155425.
dc.subject.other Physics en
dc.title Quantum computation with two-electron spins in semi-conductor quantum dots en
dc.title Kvanttilaskenta käyttäen kahden elektronin spini-tiloja puolijohdekvanttipisteissä fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Applied Physics en
dc.subject.keyword quantum computer en
dc.subject.keyword spin qubit en
dc.subject.keyword singlet-triplet qubit en
dc.subject.keyword entanglement en
dc.subject.keyword decoherence en
dc.subject.keyword configuration interaction en
dc.subject.keyword Hubbard model en
dc.subject.keyword kvanttilaskenta fi
dc.subject.keyword spin-kubitti fi
dc.subject.keyword lomittuminen fi
dc.subject.keyword dekoherenssi fi
dc.subject.keyword CI-metodi fi
dc.subject.keyword Hubbardin malli fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-6200-6
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Nieminen, Risto, Aalto Distinguished Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.opn Burkard, Guido, Prof., University of Konstanz, Germany
dc.date.dateaccepted 2015-04-23
dc.contributor.lab Quantum Many-body Physics Group en
dc.rev Räsänen, Esa, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.rev Piilo, Jyrki, Adjunct Prof., University of Turku, Finland
dc.date.defence 2015-06-05


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse