Inst itute of Physics – Condensed Matter Theory Group

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



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


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



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



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



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

Topologiczne stopnie swobody w układach hallowskich (złożone fermiony, anyony, ułamkowy ładunek)

Mechanizmy podniesienia sprawności w nano-metalicznych strukturach

plazmonowych w ognowach słonecznych



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)

Nano realizacje QIP – technologia ciałostałowa (kropki kwantowe) Inż.Kw.

Nano-modyfikowane materiały o zmienionych własnościach mechanicznych, termicznych i elektromagnetycznych;

Optyczne własności nano-modyfikowanych powłok o znaczeniu aplikacyjnym;

Praktyczna realizacja kryptografii kwantowej (pracownia w budowie z dotacji wewnętrznej)

Topologiczne stopnie swobody dla QIP (jedyne perspektywiczne wobec dekoherencji)



Najważniejsze osiągnięciaNajważniejsze osiągnięcia::

Wkład w teorię izolowanych kropek kwantowych:

opis stanów ładunkowych i spinowych,

własności optyczne,

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)



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)



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



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)



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


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



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



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



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



)()()( 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



Statyczne efekty polaronowe w kropkach kwantowychStatyczne efekty polaronowe w kropkach kwantowych

L.Jacak, J.Krasnyj, D.Jacak, P.Machnikowski, Phys. Rev. B 67 035303 (2003), Phys. Rev. B, 65,113305-1(2002)

Zależność od stałej Fröhlicha

Eksperyment FIR

34

21 2

t

tTALO C

vqI

LO-TA

2431

4 ollLALO lqC

IJ

LO-LA

LO-LA



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



Optymalizacja sterowania kropką kwantową Optymalizacja sterowania kropką kwantową

V. M. Axt, P. Machnikowski, T. Kuhn, Phys. Rev. B. 71 155305 (2005)

`

The error for a /2 rotation by a sequence of short pulses (identical or optimized):

`````

Dependence on the sequence duration:

Dependence on the number of pulses:

Controling the system by sequences of short pulses leads to error reduction.

No arbitrary pulse shaping necessary.

Finite exciton lifetime excludes long control times.

The error is lower for longer sequences and for larger number of pulses.

Most improvement already for a few pulses.



O fononowym defazowaniu ładunku w QD O fononowym defazowaniu ładunku w QD

Charge: ultrafast optical controlSpin: ultralong decoherence times.

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



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



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



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.



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)

Tsui, Stormer et al. 2003

2D Studnie kwantoweIQHE – całkowity efektHalla (Klitzing 1982/85)FQHE – ułamkowy efektHalla (Tsui, Stormer, Laughlin 1982/98)



International collaboration:

Current:

• V, VI Framework Programs (several projects)• wide individual cooperation of all groups in UE, Canada, USA, Japan,

Ukraine, Australia

Future:

• STREP for VII Framework Programe (planned) in the area of: MULTIFUNCTIONAL NANOMODIFIED SMART SURFACE COVERINGS

• „not all of nano-scalled by artificial methods objects is nanotechnology”

• novelty in physics/chemistry of nano-scale (nanoparticle vs medium)• cheap methods of manufactoring (metalurgy, laser ablation, sol-gel

chemical agregation)



Physics (theory) on nano-systems(QDs, Nano-tubes,

Nano-modified materials,Meta-materials)Topology in QIP

QIP (theory & practice?)Q Cryptography

Decoherence studies forsingle electron-single

photon devices

Nanotechnology of MBE/MOCVD(expensive) materials

Spintronics for classical inf. proc.

&QIP

Nanomodified multifunctional materials

(cheap: sol-gel/metalurgy/ewe)

Topology for QIP(braid groups for

decoherence-free QIP)

innovation

innovation

Plasmonics& metamaterials

innovation

Nanostructures for solar cells

Documents

Inst itute of Physics – Condensed Matter Theory Group