Institute of Physics – Condensed Matter Theory Group WROCŁAW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Inżynieria kwantowa we Wrocławiu: LFPPI Centrum Nanotechnologii i Zaawansowanych Materiałów Politechniki Wrocławskiej www.if.pwr.wroc.pl espół Teorii Fazy Skondensowanej rof. L. Jacak (kierownik) prof. 3 dr hab. 5 dr 15 PhD 30 MSc ksperyment: espół Optyki Półprzewodników espół Fotoniki espół Nieliniowej Optyki
28
Embed
Inst itute of Physics – Condensed Matter Theory Group
WROCŁAW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. Inst itute of Physics – Condensed Matter Theory Group. Inżynieria kwantowa we Wrocławiu: LFPPI Centrum Nanotechnologii i Zaawansowanych Materiałów Politechniki Wrocławskiej. Zespół Teorii Fazy Skondensowanej Prof. L. Jacak (kierownik) - PowerPoint PPT Presentation
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Institute of Physics – Condensed Matter Theory Group
WROCŁAW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Inżynieria kwantowa we Wrocławiu:
LFPPI
Centrum Nanotechnologii i Zaawansowanych
Materiałów Politechniki Wrocławskiej
www.if.pwr.wroc.pl
Zespół Teorii Fazy SkondensowanejProf. L. Jacak (kierownik) 5 prof. 3 dr hab. 5 dr 15 PhD 30 MSc
Eksperyment:
Zespół Optyki Półprzewodników
Zespół Fotoniki
Zespół Nieliniowej Optyki
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Skład Zespołu:Skład Zespołu:
Prof. L. Jacak (kierownik)
Prof. R. Gonczarek,
Prof. W. Salejda,
Prof. A. Mituś,
Prof. A. Radosz
Prof. A. Wójs,
Dr hab. P. Sitko,
Dr hab. G. Harań,
Dr hab. P. Machnikowski
Dr M. Krzyżosiak,
Dr L. Bujkiewicz,
Dr A. Janutka,
Dr K. Wieczorek,
Doktoranci 15
Studenci 30
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Współpraca krajowa z zakresu
Inżynierii kwantowej w nanostrukturach
www.if.pwr.wroc.pl/~tfs
Prof. K. Wysokiński M.Curie-Skłodowska U. Lublin Prof. J. Adamowski Academy of. M.&M. KrakówProf. A. Sitarz Jagiellonian U. KrakówProf. J. Krasnyj Univ. of OpoleProf. W. Jaskólski M.Kopernik U. ToruńProf. M. Szopa Univ. of Silesia KatowiceProf. W. Zawadzki IPh PAS W-aProf. J. Mostowski IPh PAS W-a Prof. J. Spałek Jagiellonian U. KrakówProf. J. Barnaś UAM Poznań
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika WrocławskaProf. R. Alicki
Prof. R. Horodecki
Center of Advanced Materials &
NanotechnologyProf.T. Luty,
Prof. B. LicznerskiProf. J. Misiewicz, Prof. B. Mazurek,
Prof. L. Jacak,Prof. A. Miniewicz
Prof.J. MachnikowskiProf. J. SworakowskiProf. W. UrbańczykProf.. T. E. Chlebus
Prof.. W. Stręk
WrocławL. Jacak
KatowiceE. ZipperM. Szopa
KrakówJ. Spałek
J. Adamowski
LublinK. Wysokiński
WarszawaJ.
MostowskiW. Zawadzki
ToruńW. Jaskólski
Poznań,J. BarnaśB. Bułka
Gdańsk
CENTER of Quantum Engineering for Nanotechnology & QIP
Prof. T. DietlProf. T. Wojtowicz
European Institute of TechnologyProf. A. Weron
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Expertise
L. JacakP. MachnikowskiA. RadoszA. WójsJ. Krasnyj
QD therey and applications to new devices in nanotechnology & QIP- decoherence assesment for QIP (quantum computer)- nano-lasing systems- plasmonics- braids for decoherence free topological QIP- Q cryptography (internal project)
J. BarnaśB. Bułka
QD systems for spintronics - transport in QD systems- Magnetic phenomena in QDs
J. AdamowskiS. BednarekB. Szafran
QD modelling - electrrically defined QD II- multielectron phenomena
W. JaskólskiQD modelling ab initio- efekty topologiczne- rozmaite nanocząstki
W. ZawadzkiJ. Mostowski
Entaglement Confined geometry systems
J. Spałek Q correlated systems- supeconfductivity - finite systems
K. Wysokiński QD therodynamics-specific heat of QDs- transport
E. ZipperM. Szopa
Carbon nano-tubes-shapes and topology-electrical properties
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Motivation
Real QIP is rather distant – decoherence in nano scale (in all present proposals) is too quick (instead of expected 6 orders decoherence/manipulation, it is possible to attain only 3, too small for quantum error corrections)
Theory of QIP is rather in exhausted point – new ideas are needed(as topology, holographic principle)
Nevertheles, nanotechnology can use all advantages of theoretical studies for QIP not only for quantum computer, but generally for quantum engineering in nano scale and expected innovation area
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Tematyka badawcza:Tematyka badawcza:
Własności kropek kwantowych i ich zastosowania spintroniczne i nanotechnologiczne (nano opto-elektronoczne, urządzenia jedno-elektronowe/jedno-fotonowe)
Implementacja procedur informatyki kwantowej w układach kropek kwantowych
Koherentne sterowanie i dekoherencja kwantowych stanów ładunkowych i spinowych w nano-układach półprzewodnikowych
Własności półprzewodników magnetycznych i ich nanostruktur
Wielofunkcyjne nano-modyfikowane smart materiały i pokrycia
Mechanizmy podniesienia sprawności w nano-metalicznych strukturach
plazmonowych w ognowach słonecznych
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Planowane kierunki badań w dziedzinie nanotechnologii:Planowane kierunki badań w dziedzinie nanotechnologii:
Spinowo-magnetyczne własności nowych materiałów dla spintroniki (półprzewodniki półmagnetyczne z nano-strukturami) i aplikacji magnetycznych (amorficzne nano-modyfikowane metale);
Plazmonowe nano-metaliczne struktury powierzchniowe w bateriach słonecznych (w kierunku zwiększenia sprawności)
koherentne sterowanie stanami ładunkowymi i spinowymi;
(ca 40 Phys. Rev., monografia ‘Quantum Dots’ Springer VL)
Wkład w teorię kropek kwantowych w ośrodkach:
dekoherencja układów nanoskopowych,
dekoherencja w warunkach sterowania polami zewnętrznymi;
(ca 20 Phys. Rev.)
Modelowanie kwantowe
(monografia ‘Metody algebraiczne w mechanice kwantowej’ PWN)
Wkład w teorię układów 2D w warunkach kwantowego efektu Halla:
modelowanie stanów silnie skorelowanej cieczy kwantowej,
topologiczny opis układów hallowskich.
(ca 30 Phys. Rev., monografia ‘Quantum Hall Systems’ Oxford UP)
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Dorobek naukowy zespołu:Dorobek naukowy zespołu:
Monografie naukowe:L. Jacak, P. Sitko, K. Wieczorek, A. Wójs, Quantum Hall Systems, Oxford University Press 2003,
- prestiżowa seria międzynarodowych monografii (119 od 1903, 5 noblistów)
L. Jacak, P. Hawrylak, A. Wójs, Quantum Dots, Springer 1999;
- silnie cytowana (ca 1000 cytowań)
W. Salejda, M. Tyc, Algebraiczne metody mechaniki kwantowej, PWN 2001
Przeglądowy rozdział w Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, American Sc.Publ. (L. Jacak, P. Machnikowski, Quantum dots)
Ponad 200 publikacji, w tym ok. 50 w Phys. Rev., kilka w Phys. Rev. Lett., pojedyncze w Science i Nature (ponad 2000 cytowań);
Kilkadziesiąt wystąpień konferencyjnych, w tym referaty zaproszone
- zaproszony wykład na konferecję Solvaya (L. Jacak)
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Współpraca międzynarodowaWspółpraca międzynarodowa – m.in. – m.in.::
Uniwersytet w Odessie (Ukraina) – własności kropek kwantowych
NRC, Institute for Microstructural Sciences, Ottawa (CAN) – nanoskopowe układy i struktury półprzewodnikowe
Department of Physics, University of Tennessee, Knoxville (USA) – fizyka złożonych fermionów
Institut für Theoretische Physik, Universität Innsbruck (A) – bramki logiczne komputera kwantowego i dekoherencja
Institut für Festkörpertheorie, Universität Münster (D) – procesy fononowe w kropkach kwantowych
Department of Physics, Nottingham University (GB) – sieci optyczne i supersieci półprzewodnikowe
Department Physik, Universität Paderborn (D) – optyka kwantowa kropek kwantowych
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Projekty badawcze i udział w sieciach naukowych Projekty badawcze i udział w sieciach naukowych w dziedzinie nanotechnologii:w dziedzinie nanotechnologii:
Projekt zamawiany MNiI Inżynieria i informatyka kwantowa (współkordynacja)
Udział w ogólnopolskiej sieci naukowej Laboratorium Fizycznych Podstaw Przetwarzania Informacji (http://fppi.cft.edu.pl)
Projekt badawczy UE Semiconductor-Based Quantum Information Devices(SQID) i europejska sieć doskonałości Quantum Information Processing & Computation Network of Excellence (QUIPROCONE)
Projekty badawcze KBN/MNiI z zakresu nanotechnologii: fizyka kropek kwantowych i układów o ograniczonej geometrii
Mechanizmy transferu energii w nano pokryciach metalicznych w bateriach słonecznych (zwiększenie wydajności (KBN)
Spintronika w kropkach zanurzonych w pólprzewodnikach półmagnetycznych (KBN)
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Zorganizowane kZorganizowane konferencje i seminaria:onferencje i seminaria:
I Konferencja Sieci LFPPI 2003http://lfppi.if.pwr.wroc.pl/konf2003.html
I Sympozjum Informatyki i Inżynierii Kwantowej 2004 (400 ucz., prof.. A. Ekert)
http://www.if.pwr.wroc.pl/sympozjumlfppi/
II Sympozjum Informatyki i Inżynierii Kwantowej 2005 (350 ucz., prof.. Ch. Fuchs)
http://lfppi.if.pwr.wroc.pl/sympozjumlfppi2.html
III Sympozjum Informatyki i Inżynierii Kwantowej 2006 (600 ucz. Prof.. G. t’Hooft)
http://lfppi.if.pwr.wroc.pl/
Krajowa konferencja: Inżynieria Kwantowa 2004, 2005
Workshop: Perspektywy Informatyki Kwantowej 2008
Międzynarodowa Szkoła Inżynierii Kwantowej, 2004
Cykl seminariów LFPPI Wrocław
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska A. Ekert (Cambridge) A. Imamoglu (Zürich) M. Bayer (Würzburg) A. Poppe (Wien) T. Calarco (Innsbruck) M. Fromhold (Nottingham) M. Axt (Münster) P. O. Holtz (Linköpings) A. Trifonov (Boston) F. Kusmartsev (Loughborough) J. Samson (Loughborough) H. Klar (Freiburg)
ca 80 PhD/MSc students
ca 600 p. audience
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Main results:
1. Description of charge decoherence in QD due to phonons - kinetics of polaron formation (WRO)
2. Assessment of feasibility of practical realisation of quantum computer controlled by light (negative or problematic at least) (WRO)
3. Proposal for QIP (qubit/gate) on spin in QDs (WRO)4. Medelling of QDs on atomic level (TOR, KRA)5. Modelling of carbon nano-tubes and fullerens (KAT)6. QIP theory; trade-off with noice (WRO)7. Hall systems – application to optics of nano-structures
(WRO)8. Transport (electric, heat) in QDs (LUB)9. Spin properties in QW (W-A)
main results – crucial in the international scale
assessment of decoherence in QDs - preclussion of possibility of practical implementation of QIP (quantum computer) in solid state technology (nano scale) – DiVincenzo conditions are sharply not fulfilled, neither for charge (optically driven QC) and spin (magnetically driven QC)
limitation of expensive projects in UE and USA
fs nsps ps ms1000ps
charge spin
ca 60 publications (WRO)•formulation of the theory (Green f.)•application to state-of-art QDs
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Nanotechnologia – kropki kwantoweNanotechnologia – kropki kwantowe • jedno-cząstkowe stany elektronowe w QD (quantum dots) – w polach zewnętrznych• własności elektronowe QD z oddziaływaniem – wielo-elektronowe QD w polach zewnętrznych • reguły typu Hunda dla QD• wewnątrz-pasmowe optyczne przejścia• między-pasmowe optyczne przejścia• uogólnienie tw. Kohna dla QD• QD w silnym polu magnetycznym – stany magiczne (composite fermions)• spektroskopia pojemnościowa pojedynczych elektronów• SAD QD (samorosnące kropki) w modelu pasmowej struktury • oddziaływanie spin-orbita w QD• ekscytony w QD II rodzaju (J. Krasnyj)
• laser dalekiej podczerwieni na matrycy QD II rodzaju nieadiabatycznie przełączanej• źródło spolaryzowanych spinowo elektronów• bramka singlet-tryplet w QD typu He dla QIP
patenty
Elektronowe i optyczne własnościkropek kwantowych
(spektroskopia)
Dobra zgodność z eksperymentem
modelu powłokowego
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Planned/possible future activity:
Towards innovation in technology:• Communication/security: Quantum cryptography – practical
realization in WUT, possible collaboration with TOR, W-A, Oxford (Ekert), Wien (Poppe)
• Spintronics&nanotechnology – new ‘classical’ information opto-electronic devices (single electron/single photon), wide collaboration (WRO, POZ, W-A, LUB, KAT, KRA)
• Qantum Information Processing – feasibility studies (WRO, GDA, W-A)
• Nano-systems and nano-modified multifunctional materials (WRO, GDA, TMA W-A, industry partners e.g. Polifarb S.A.)
example: change of colour of nanoparticles (gold) with variation of their shape – due to distinct plasmon oscillations (lightning rode effect)
````````````````````
meta-material with ‘frozen pressure’(W. Stręk, ILTPh&SR,UNIPRES W-A)
amorphous phase
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
)()()( 0 rPrPrPlok
)()()( 0 rPrPrP QDlok
lokalna polar. kryszt. dzialajaca na elektron w kropce
0
*2 11~1
,2~
me
d
ada
0
'
11
~1
inercjalna część polaryzacji
L.Jacak, J.Krasnyj, W.Jacak, Phys. Lett. A 304, 168 (2002)
Renormalizacja stałej FrRenormalizacja stałej Frööhlicha w nanostrukturachhlicha w nanostrukturach
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Statyczne efekty polaronowe w kropkach kwantowychStatyczne efekty polaronowe w kropkach kwantowych
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Dekoherencja fononowa w nanostrukturachDekoherencja fononowa w nanostrukturach- kinetyka tworzenia polaronu w kropce kwantowej- kinetyka tworzenia polaronu w kropce kwantowej
2/2//
/
2dkdp
d
Cd
v
d a
g
LA
LO
L.Jacak, J.Krasnyj, W. Jacak, R. Gonczarek, P.Machnikowski, Phys.Rev. B 72, 245309 (2005)P. Machnikowski, L. Jacak,, Phys. Rev. B71, 115309 (2005); Phys. Rev. B 69 (2004) 193302R. Alicki, M. Horodecki, P. Horodecki, R.Horodecki, L. Jacak, P. Machnikowski Phys. Rev. A 70 (2004) 010501 L. Jacak, P. Machnikowski, J. Krasnyj, P. Zoller, Eur. Phys. J. D, 22 (2003) 319
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Use spin for storage and couple to charge for control.
The stimulated Raman adiabatic passage (STIRAP) may be used for an arbitrary spin rotation.
High-fidelity operation possible in narrow parameter areas.
K. Roszak, A. Grodecka, P. Machnikowski, T. Kuhn, Phys. Rev. B 71 195333 (2005)
log
[ps-1]
ps-1Electron in a
double-QD structure
Error as a function of control parameters:
|0 |1|2
|3
0
1
2
|0
|1
|2
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Lokalizacja zderzeniowa w wyniku anharmonizmu fononowegoLokalizacja zderzeniowa w wyniku anharmonizmu fononowego
+
/ klasyczna mieszanina stanów zlokalizowanych[
s-1]
T [K]
L = 4 nm
D = 8 nm
D = 1 m
~ T 7
[
s-1]
D [nm]
T = 100 K
T = 10 K
T = 1 K
L = 4 nmL = 8 nm
~ D2
~ log D
Szybkość dekoherencji (lokalizacji) – rozpraszanie fononów LA na polaronie LO
D
L
zdelokalizowana superpozycja („kot Schrödingera”)
P. Machnikowski, Phys. Rev. Lett. 96 140405 (2006)
Pojedynczy elektron w podwójnej kropce kwantowej (GaAs/AlGaAs)otoczony deformacją polaronową LO
Anharmonizm powoduje rozpraszanie fononów na deformacji polaronowej
|0
|1
|1
|0
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Ograniczenie blokady Pauliego w nanostrukturachOgraniczenie blokady Pauliego w nanostrukturach
Electron in QD - polaron
Rapidly exciten electron in QD - bare electron
Different particles temporal limitation of Pauli blocking
Pauli blocking
spins
J. Krasnyj, L. Jacak
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Laser podczerwony na matrycy kropek zadawanych polem elektrycznym
L.Jacak, J.Krasnyj, D.Jacak, L.Bujkiewicz, Phys. Rev. A, 65, 063813(2002)
GaAs(Cr)
GaAs
Ga(Al)AsGaAs
Au
Au
fononyheterostruktura ze studnią kwant.
Instytut Fizyki – Zespół Inżynierii Kwantowej i Informatyki Kwantowej LFPPI
Politechnika Wrocławska
Układy 2DUkłady 2D
• metody topologiczne MBS (many body systems) – grupy warkoczowe• kwantowanie MBS i statystyki kwantowe w niskich wymiarach• topologiczny opis złożonych cząstek w 2D(grupa warkoczowa dla composite fermions)• metoda Cherna-Simonsa dla MBS (T)• nadprzewodnictwo anyonowe (Wilczek)• topologiczny aspekt związku spin-statystyka• FQHE dla composite fermions• metal Halla• układy hallowskie na sferze• pseudopotencjałowe podejście do ukł. hallowskich
Quantum Hall Systems; braid groups, composite fermions, fractional chargeL. Jacak, P. Sitko, K. Wieczorek, A. Wójs, Oxford UP 2003(International Series of Monographs on Physics)