Quantum Correlations and Temperature Fluctuations in Nanoscale Systems

Projekt: Avhandling

Projektinformation

Beskrivning

This thesis addresses two different topics related to the physics of nanoscale systems. The first topic concerns quantum correlations and entanglement between electrons in solid-state systems, with a focus on how to generate electronic orbital entanglement on a sub-decoherence time scale and how to achieve experimentally more feasible entanglement detection schemes. The second topic concerns heat transport and temperature fluctuations in nanoscale systems, with a focus on how to utilize temperature fluctuations for calorimetric detection of single particles. The thesis comprises five papers.

In Paper I, we propose a quantum dot system to generate and detect, using cotunneling processes, orbitally entangled pairs of electrons on a sub-decoherence time scale.

In Paper II, we investigate, by applying an entanglement witness, the minimal number of zero-frequency current cross-correlation measurements needed to detect bipartite entanglement between two flying qubits.

In Paper III, we consider energy and temperature fluctuations, and the influence of charging effects, in a metallic island tunnel coupled to a normal metallic lead, the so-called single electron box.

In Paper IV, we investigate nanoscale quantum calorimetry and propose a setup consisting of a metallic island and a superconducting lead to realize a nanoscale calorimeter that may probe the energies of tunneling electrons.

In Paper V, we investigate photon transport statistics of a microwave cavity, including the short-time statistics of single photon emissions and the long-time statistics of heat transport through the cavity.

Populärvetenskaplig beskrivning

Det senaste århundradet har mänskligheten upplevt en teknologisk revolution som saknar motstycke i historien. Denna utveckling har varit särskilt tydlig på elektronik- och informationsteknik-området, där vi idag tar datorer, mobiler, internet och annan telekommunikation för givet i våra dagliga liv. Mycket av den tekniska utvecklingen har möjliggjorts tack vare grundforskning på fysik- och elektronikområdet under 1800- och 1900-talet, vilket har gett oss bland annat ökad förståelse för grundläggande fenomen såsom elektromagnetism och uppfinningar som till exempel transistorn. Men lika mycket som grundforskning har banat vägen för ny teknologi, har den teknologiska utvecklingen också banat vägen för ny grundforskning. Tack vare ny teknik är det idag möjligt att kontrollera och manipulera komponenter på allt mindre längdskalor på ett sätt som gårdagens fysiker bara kunde drömma om. Detta tillåter oss att utforska helt nya fysikaliska regimer med ny spännande fysik i så kallade nanosystem, som består av komponenter där dimensionerna kan vara så små som en miljondels av en millimeter.

Fysiken i nanosystem skiljer sig markant från vår vardagliga, makroskopiska värld. Enskilda partiklar, såsom elektroner och fotoner, spelar typiskt sett en avgörande roll för funktionaliteten hos nanosystem, oavsett om det handlar om en transistor eller en liten motor på nanoskala. Nya fenomen uppkommer också som vi normalt inte märker av i vår vardagliga värld. Det handlar bland annat om så kallade kvanteffekter och den ökade betydelsen av fluktuationer och ytfysik i takt med att dimensionerna skalas ner. I den här avhandlingen behandlar vi särskilt två fenomen som båda är förekommande i nanosystem: kvantkorrelationer och temperaturfluktuationer.

Kvantkorrelationer är korrelationer som uppkommer mellan partiklar som är kvantsammanflätade, vilket innebär att deras tillstånd (t.ex. position, rörelsemängd eller spinn) inte kan beskrivas oberoende av varandra, trots full kunskap om systemet i sin helhet. Ett typexempel på ett sammanflätat tillstånd är singlett-tillståndet för två spinn. Det totala spinnet är i det fallet noll, vilket innebär att spinnen måste vara motriktade. Exakt vilket spinn som pekar åt vilket håll är däremot inte väldefinierat; de befinner sig båda i en kvantmekanisk superposition mellan de två möjliga riktningarna längs med en godtycklig mätaxel, åtminstone tills en mätning utförs.

Förekomsten av kvantkorrelationer mellan sammanflätade partiklar inom kvantfysiken uppmärksammades för första gången i mitten av 1930-talet. Deras faktiska existens ifrågasattes eftersom de bryter mot en grundläggande fysikalisk princip som inom klassisk fysik kallas lokal realism. Men under 1900-talets senare del påvisades deras existens genom experiment och sedan uppkomsten av kvantinformationsområdet på 1980-talet har kvantkorrelationer och kvantsammanflätning kommit att utvecklas till en oumbärlig resurs för kvantdatorer. Kvantdatorer är datorer som drar nytta av kvanteffekter för att kunna utföra mer effektiva algoritmer än klassiska datorer. Många algoritmer som är tänkta att köras på kvantdatorer bygger på tillgången av just kvantsammanflätade partiklar som kan uppvisa kvantkorrelationer. Det är därför helt avgörande att kunna generera och detektera kvantsammanflätning för att kunna bygga fungerande kvantdatorer.

I princip kan vilka partiklar som helst sammanflätas. Huvudproblemet är dock att kvantsammanflätning är en mycket skör resurs, som lätt förloras om de sammanflätade partiklarna interagerar med andra partiklar i sin omgivning, en process som kallas för dekoherens. Elektroner, som vore det naturliga valet att använda med tanke på deras roll i konventionell elektronik, är dessvärre särskilt utsatta för dekoherens. Detta beror främst på deras laddning, som gör att de interagerar starkt med sin omgivning. I den här avhandlingen föreslår vi ett sätt att generera och detektera sammanflätade elektroner på en tidsskala mycket kortare än den tidsskala på vilken omgivningen förstör sammanflätningen. Idén är att använda så kallade kotunnlingsprocesser för att både generera och detektera sammanflätning mellan par av elektroner. Eftersom dessa processer äger rum på pikosekundskalan så är de tillräckligt snabba för att inte utsättas för dekoherens från omgivningen. I avhandlingen undersöker vi även hur man kan underlätta detektionen av sammanflätning i kvantsystem. Konventionella metoder kräver många komplicerade mätningar, men det visar sig att genom att använda sig av så kallade sammanflätningsvittnen kan man detektera sammanflätning med betydligt färre mätningar.

Det andra ämnet som behandlas i den här avhandlingen rör temperaturfluktuationer. Fluktuationer, det vill säga avvikelser från medelvärdet för en viss storhet, får i allmänhet en större och större betydelse ju mindre ett system är. I små system, såsom nanosystem, måste man därför ta hänsyn till brus i till exempel temperatur och värme för att erhålla en korrekt fysikalisk beskrivning. Kvanttermodynamik är det område inom fysiken som beskriver värmetransport i små, kvantmekaniska system där just fluktuationer spelar en viktig roll. Det finns många lovande tillämpningar inom detta område, exempelvis nya värmemotorer som kan alstra el från värme med en hög verkningsgrad.

I den här avhandlingen tittar vi särskilt på möjligheterna att använda temperaturfluktuationer till att detektera enstaka partiklar, till exempel fotoner eller elektroner, i nanosystem. Genom att koppla en supraledare till en liten metallbit, kan vi detektera elektroner som överförs mellan supraledaren och metallbiten med hjälp av de temperaturfluktuationer som uppkommer i metallbiten. Denna metod, som kallas kvantkalorimetri, banar också vägen för att studera andra kvanttermodynamiska fenomen. Exempelvis undersöker vi emissionen av fotoner från en mikrovågskavitet i det femte pappret i avhandlingen.

Allt som allt syftar denna avhandling till att bidra med ökad förståelse och ökade kunskaper om kvantkorrelationer och temperaturfluktuationer i nanosystem.
StatusSlutfört
Gällande start-/slutdatum2014/09/012019/04/26

Ämnesklassifikation (UKÄ)

  • Den kondenserade materiens fysik