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本文以球型量子点为研究对象,设计了一种量子计算机的基本信息存储单元—量子比特(Qubit)模型,对这种量子比特的性质做了深入的研究;并研究了球型量子点中极化子的温度效应。
首先通过精确求解能量本征方程、幺正变换及变分方法,得到球型量子点中电子—声子相互作用体系的基态和激发态能量,以这样一个两能级体系构成一个量子比特。研究了量子比特内电子的概率密度分布情况及声子对量子比特性质的影响。数值计算表明,电子或极化子的基态与激发态能量均随量子点尺寸的增大而减小,说明球型量子点具有明显的量子尺寸效应,且激发态能量减小的程度相对较大,导致量子比特的振荡周期随量子点尺寸的增大而增大。考虑声子效应时,基态与激发态的能量均减少,与无声子效应相比,能级差增大,振荡周期减小,说明声子效应使量子比特的相干性减弱,且量子点尺寸越大声子效应越强,量子比特的相干性越差。量子比特内各个空间点的概率密度均随时间和坐标的变化而变化,当空间点给定时,概率密度随时间做周期性振荡,声子效应导致振荡周期缩短,振荡频率增大,但声子效应不改变概率密度的幅值;当时间和方位角给定时,概率密度随径向坐标的变化而变化,在球心处概率密度不变,在球半径一半附近概率密度幅值最大,在球边缘处概率密度为零;当时间和径向坐标给定时,概率密度随角坐标的变化而变化,不同方位的概率密度幅值不同。
其次,采用精确求解能量本征方程、幺正变换、变分以及元激发理论方法研究了球型量子点中极化子的温度效应。数值计算表明,当κBT<hωLO时,极化子的基态能量不随温度变化,这是因为此时电子热运动能量较低,不足以激发声子所致;当κBT>hωLO时,极化子的基态能量随温度的升高而增大,这是因为温度升高,电子热运动能量增大,更多的声子被激发,导致极化子能量增大。此外,数值计算还表明,极化子的基态能量随电子—声子相互作用耦合强度的增大而降低,这是因为电子—声子相互作用越强,电子—声子相互作用能的绝对值就越大,极化子基态能量就越小。