반도체 기반 편집하기 (부분)

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==반도체 양자점 구동 원리==

초기화(initialization)

이준위 스핀(spin) 상태의 초기화(initialization)는 단순한 방법으로는 양자점에 있는 스핀의 에너지가 바닥 상태(ground state)로 내려갈 때까지 오랜 시간 기다리는 방법으로 할 수 있다. 이 방법은 어떤 자기장에서든 할 수 있는 매우 간단한 초기화 방법이다. 이보다 빠른 초기화 방법으로는 |↑>를 아래에, |↓>를 위로 두고 사이에 페르미 에너지(Fermi energy)를 배치하는 것이다. 이때 |↑> 상태의 전자는 양자점에 머물러 있는 반면에 |↓> 상태의 전자는 저장고(reservoir)로 터널링되어 |↑> 방향으로 대체된다. 스핀 윗방향과 아랫방향의 터널링 시간(tunnel time)을 더한 것만큼의 시간을 기다리면 스핀은 높은 확률로 |↑>상태가 되어 초기화 시킬 수 있다.<ref name=initialization> R. Hanson et al., Electron spin qubits in quantum dots, in Proceedings of IEEE International Electron Devices Meeting 2004-IEDM Technical Digest,San Francisco, CA, USA(IEEE,San Francisco,2004), 533. doi:10.1109/IEDM.2004.1419211</ref> 전하 큐비트의 경우, 왼쪽(L), 오른쪽(R) 게이트를 의 게이트 전위를 조절하여, 왼쪽 |L> 또는 오른쪽 |R> 양자점에만 전하가 존재하도록 초기화 하는 것이 가능하다. <ref name=Cao> G. Cao et al., Ultrafast universal quantum control of a quantum-dot charge qubit using Landau–Zener–Stu¨ckelberg interference, Nature Communications 4, 1401 (2013).https://doi.org/10.1038/ncomms2412.</ref>

제어(manipulation)

[[File:기술백서 전체수정_101edit.jpg|right|thumb|500px| (왼쪽) 금속전극들 사이에 형성된 전위장벽에 전자가 포획되고 반도체 내의 양자점이 생성된다. (오른쪽) 서로 연결되어 있는 양자상태의 에너지가 공명할 시 반교차 (anticrossing)에 따른 에너지 쪼개짐이 나타난다. <ref name=Cao> G. Cao et al., Ultrafast universal quantum control of a quantum-dot charge qubit using Landau–Zener–Stu¨ckelberg interference, Nature Communications 4, 1401 (2013).</ref> 참고문헌[13]의 그림을 재구성함.]]
반도체 양자점은 왼쪽(L), 오른쪽(R) 게이트를 통해 이중 양자점을 형성하고 두 게이트 간 전위차이 ε∝VR - VL로 각 양자점의 전자의 상태를 제어할 수 있다. 또, 가운데 전위 장벽(T)의 전위 조절을 통해 양자점 간 터널링 정도를 제어하게 된다. 각 양자점 내 포획 전자의 전하량, 스핀 상태 등을 이용하여, 이준위 양자 상태를 형성하게 되는데, 게이트 간 전위차이 ε를 통해 각 양자 상태를 초기화하고 중첩 상태를 생성할 수 있다. 특히, ε=0 인 경우에는 터널링에 의해 연결되어 있는 두 양자 상태의 에너지가 같아져서 에너지 상태 간 반교차(anticrossing)를 나타낸다. 이때 반교차 에너지 간격은 [[공통 기술#라비 진동 (Rabi Oscillation)|라비 진동 (Rabi Oscillation)]] 주파수와 비례한다. 양자 상태에 대한 결맞음 제어는 주로 이준위 상태와 공명하는 마이크로파 펄스를 통해 이뤄진다. 
제어 정확도는 결맞음 시간(coherence time)과 제어 시간(manipulation time)에 의해 결정된다. 결맞음 시간은 위상 어긋남 시간(dephasing time)이라고도 하며, 일반적으로 T2로 표기하고, 큐비트가 양자 성질을 얼마나 유지할 수 있는지를 나타낸다. 제어 시간은 회전각에 따라 π(Tπ)나 2π(T2π)로 표기하고, 단일 제어(single manipulation)에 대해 요구되는 시간을 나타낸다.<ref name=mani2>Zhang, X., Li, H. O., Cao, G., Xiao, M., Guo, G. C., & Guo, G. P. (2019). Semiconductor quantum computation. National Science Review, 6, 32-54.https://doi.org/10.1093/nsr/nwy153.</ref>

측정(readout)

큐비트를 제어하는 중에는 스핀 윗방향과 아랫방향의 에너지 레벨은 드레인(drain)의 페르미 레벨 (Fermi level) 보다 밑에 위치한다. 측정(readout)을 하기 위해서는 스핀 윗방향과 아랫방향 상태 사이의 소스(source)와 드레인(drain)의 페르미 레벨을 조정한다. 그러면 스핀 윗방향의 전자는 양자점에 머물러있는 반면 스핀 아랫방향의 전자는 양자점을 통과하게 되는데 이를 이용하여 측정한다. 이 방법은 2004년에 Kouwenhoven과 Vandersypen의 연구팀이 고안해냈다.<ref name=Li> H. Li, B. Yao, T. Tu, and G. Guo, Quantum computation on gate-defined semiconductor quantum dots, Chinese Science Bulletin 57, 1919 (2012).https://doi.org/10.1007/s11434-012-5091-5.</ref>
[[File:기술백서 전체수정_103edit.jpg|none|thumb|400px| 스핀에 따른 터널링(spin-selective tunneling)을 기반으로 하는 양자점 큐비트의 제어 및 측정 그림.<ref name=mani2> X. Zhang et al., Semiconductor quantum computation, National Science Review6, 32 (2019). doi:https://doi.org/10.1093/nsr/nwy153</ref> 참고문헌[8]의 그림을 재구성함.]]

실험적으로 반도체 양자점의 전자 상태는 양자점 근처의 전하 센서, 양자 점 측정기(quantum point detector), 소스와 드레인 간 전류 등을 통해 확인하게 되며, 아래 그림은 이러한 소자 내 검출 신호를 통해 확인 할 수 있는 게이트 간 전위 차에 따른 양자 상태에 대한 도표 예시이다.
[[File:기술백서 전체수정_99edit.jpg|none|thumb|400px| GaAs/AlGaAs 이중 양자점(double quantum dot)의 게이트 전위에 따른 왼쪽, 오른쪽 양자점 전하 큐비트 측정 신호 도표. <ref name=Cao>G. Cao et al., Ultrafast universal quantum control of a quantum-dot charge qubit using Landau–Zener–Stu¨ckelberg interference, Nature Communications 4, 1401.https://doi.org/10.1038/ncomms2412. (2013).</ref> 참고문헌[13]의 그림을 재구성함.]]

요약:

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