用于光控量子存储与量子计算的三维拓扑绝缘体量子点

我们提出了一种量子点 (QD) 模型，该量子点由三维拓扑绝缘体 (TI) 材料（如 PbTe/Pb$_{0.31}$Sn$_{0.69}$Te）构成的球形核 - 体异质结构组成，其在界面处存在被三维受限的无质量手性 Weyl 束缚态。束缚态的数量可以通过调节 QD 的尺寸以及决定限制势的核与体能隙大小来控制。我们证明了这种束缚 Weyl 态可在几纳米尺寸的 QD 中实现。我们识别出了自旋锁定和 Kramers 对，这两者均为 3D TIs 的标志。与拓扑平庸的半导体 QD 不同，3D TI QD 中受限的无质量 Weyl 态局域于 QD 界面，并在能谱中表现出镜面对称性。我们发现带间和带内跃迁均满足严格的光学选择定则，这些定则取决于电子 - 空穴对的偏振，因此由于泡利不相容原理而产生法拉第效应。我们表明，半经典法拉第效应可用于读取自旋量子存储。当 3D TI QD 嵌入腔内时，单光子法拉第旋转提供了实现光介导量子隐形传态和利用 3D TI QD 进行量子信息处理的可能性，其中量子比特由 3D TI QD 中的电子 - 空穴对、单个电子自旋或单个空穴自旋定义。值得注意的是，带间和带内跃迁的结合产生了高达 450 Debye 的巨大偶极矩。因此，在约 $10\:\mu$m 的红外波长区域，对于品质因数 $Q\approx10^{4}$ 的腔，可以达到强耦合机制。