Atomistic engineering of semiconductor nanostructures for quantum information

用于量子信息的半导体纳米结构的原子工程

基本信息

  • 批准号:
    RGPIN-2019-04607
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 2.4万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    加拿大
  • 项目类别:
    Discovery Grants Program - Individual
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    加拿大
  • 起止时间:
    2022-01-01 至 2023-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

The Government of Canada's Science and Technology Strategy identifies Information and Communications Technology and Advanced Manufacturing as two of the four research priority areas. Here, quantum computing and quantum communication are considered among key technologies which have a potential to transform societies in terms of their social and economic well-being. Quantum computing is disruptive, as it promises a new way of computing, enabling efficient solutions of problems such as optimization, coding and decoding, machine learning and simulation. The recent years witnessed an explosive increase of worldwide interest in this technology, with investments by IBM, Google, Microsoft, D-Wave Systems. Quantum communication offers the promise of absolutely secure communication, which is of vital interest in light of the need to protect sensitive data (financial, personal) from intrusion. However, in both areas, the development of new materials and prototype devices frequently involves fabrication of a large number of test devices with very low yield and little deliberate control over design details, with the lack of predictive theoretical design tools being a major stumbling block. The aim of this project is to provide tools for fast, predictive computer-aided design of prototype devices and to allow the optimization of their parameters. To this end, I will pursue two short-term objectives, and I request funding for two PhD students. The first objective will focus on the development of a simulation tool for gated quantum dots confining electrons or holes, in which the carrier spin plays the role of the quantum bit for quantum computing. This tool will account for microscopic details of the material, the structure of the sample, and the external fields (electric, magnetic) in a fully quantum-mechanical approach. The suite will also model the coherent control, enabling it to simulate quantum gates. In the fundamental part of the study, we plan to apply this tool to study dots confining holes and explore the coherent control of the carrier spin by phonons. In the second objective, we will develop another, fully atomistic tool to study the electronic properties of quantum dots and dot molecules embedded in quantum wires playing the role of an optical cavity. These systems hold promise as efficient and fast sources of single photons and entangled photon pairs for quantum communication, but their quality sensitively depends on atomistic details of their structure and geometry. The goal will be to demonstrate a time-dependent simulation of an emitter of non-classical light and to guide the experimental realization of such a device. The impact of this project consists in enabling computer-aided design and optimization of quantum devices, simplifying and guiding the experimental work. Due to the importance of these outcomes, we expect high-level publications and conference presentations as well as collaborations with experimental groups worldwide.
加拿大政府的科学技术战略将信息和通信技术和先进制造确定为四个研究优先领域中的两个。在这里,量子计算和量子通信被认为是有潜力改变社会社会和经济福祉的关键技术。量子计算具有颠覆性,因为它有望提供一种新的计算方式,能够有效解决优化、编码和解码、机器学习和模拟等问题。近年来,随着 IBM、Google、Microsoft、D-Wave Systems 的投资,全球范围内对该技术的兴趣呈爆炸性增长。量子通信提供了绝对安全通信的承诺,鉴于需要保护敏感数据(财务、个人)免受入侵,这至关重要。然而,在这两个领域,新材料和原型器件的开发经常涉及制造大量测试器件,产量非常低,并且对设计细节几乎没有刻意的控制,而缺乏预测理论设计工具是一个主要障碍。 该项目的目的是为原型设备的快速、预测性计算机辅助设计提供工具,并允许优化其参数。为此,我将追求两个短期目标,并请求为两名博士生提供资助。第一个目标将重点开发用于限制电子或空穴的门控量子点的模拟工具,其中载流子自旋在量子计算中扮演量子位的角色。该工具将以完全量子力学方法解释材料的微观细节、样品的结构以及外部场(电场、磁场)。该套件还将对相干控制进行建模,使其能够模拟量子门。在研究的基础部分,我们计划应用该工具来研究点限制空穴,并探索声子对载流子自旋的相干控制。在第二个目标中,我们将开发另一种完全原子化的工具来研究量子点和嵌入量子线中充当光学腔的点分子的电子特性。这些系统有望成为量子通信中高效、快速的单光子和纠缠光子对源,但它们的质量敏感地取决于其结构和几何形状的原子细节。目标是演示非经典光发射器的时间相关模拟,并指导此类设备的实验实现。该项目的影响在于实现量子器件的计算机辅助设计和优化,简化和指导实验工作。由于这些成果的重要性,我们期待高水平的出版物和会议演示以及与世界各地实验小组的合作。

项目成果

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Korkusinski, Marek其他文献

Approximate bandstructures of semiconductor alloys from tight-binding supercell calculations
  • DOI:
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  • 通讯作者:
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  • 作者:
    Bieniek, Maciej;Korkusinski, Marek;Hawrylak, Pawel
  • 通讯作者:
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  • DOI:
    10.3390/nano12234283
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    Hawrylak, Pawel

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