中文摘要：

半导体量子点中的自旋量子比特被普遍认为是未来实现量子计算最有希望的载体之一，目前人们已经发现造成传统半导体量子点中退相干的主要因素是周围环境的核自旋，因此选择没有核自旋的新型材料成为有效延长量子点量子相干时间的关键途径。本项目选择国际上刚刚兴起的Ge/Si纳米线量子点系统，在没有核自旋影响的独特优势条件下对其中的量子信息基本过程开展系统的理论研究，同时针对该体系载流子是空穴，自旋-轨道耦合较强等一些新特点，提出在这种崭新的量子点系统中实现自旋量子比特的制备，单双比特的逻辑门操作，比特的测量，退相干以及各种纠缠态的高保真度制备等理论方案，为这方面即将开始的实验研究提供全面和坚实的理论基础。

结论摘要：

半导体量子点是比较有希望的量子比特的载体之一。我们针对国际上刚刚兴起的Ge/Si纳米线量子点体系，开展了量子信息基本物理过程的系统和深入研究。首先，我们建立了系统化的半导体量子点设计方案和模拟软件。第二，我们研究了半导体量子点中的量子输运性质，获得了库仑阻塞效应及其峰高、峰宽和峰间距等关键参数与体系基本属性的关系。第三，我们研究了半导体量子点的电荷状态图，获得了利用全电学手段调控单电子状态的规律和方法。第四，我们研究了Ge/Si纳米线量子点上的弱反局域化效应，发现其自旋—轨道耦合强度较大而且可以随着外加门电压调节，为单电子自旋操控提出一种新的机制和方法。第五，我们提出了半导体量子点上单电子相位操控的新方法，可以在复杂的固态环境中实现高保真度的普适量子逻辑门操作。第六，我们研究了Ge/Si纳米线量子点+超导电极的复合量子结构，发现其Andreev反射的相干过程会被外加磁场破坏，同时量子点与超导电极之间的耦合强度随着外加门电压调节，为开发固态电子纠缠源等新型量子器件奠定了有力基础。上述一系列的研究成果解决了这一前沿领域中的基本理论问题，并取得若干重要进展和开辟了一些新的研究方向，为本领域的研究奠定了坚实的基础。