量子点单光子源在量子信息中的应用及量子维度的研究

发布时间：2017-12-14 10:29

  本文关键词：量子点单光子源在量子信息中的应用及量子维度的研究

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【摘要】：目前量子点单光子源已经取得了很大的进展,例如量子点的光谱范围已经由紫外扩展到近红外,这是一个很大的进步。除此以外,量子点光子的偏振控制、室温下量子点发光性质的操作、电学方式激发量子点以及实验上产生高纯度的单光子源等方向都取得了巨大进步,人们对于量子点激发过程以及量子点的相干时间的了解更加深入,这些突破使得自组织量子点单光子源更加实用。现在人们更加关心量子点中单光子的不可分辨性及量子点辐射光子的收集效率。另外,人们越来越重视微腔等纳米结构对量子点发光的影响,例如可以利用微腔来提高量子点发射光子的收集效率。高效率和错误率低的单光子源在量子通信和量子计算领域有着广泛的应用前景。本文主要研究了自组织量子点的一些基本光学性质和能级结构,并利用量子点单光子源完成了一系列的研究。本文主要内容有：1.半导体自组织量子点的光学性质及激发方法。激发量子点的方式有很多种,其中最简单的方式就是使用带上激发(above-bandgap pumping),即实验中使用一束能量高于GaAs带隙的激光来激发量子点样品,激光会在GaAs材料中产生自由的电子空穴对,这些自由的电子空穴对会随机地被量子点捕获,落入量子点的能级中,电子空穴对会通过释放声子的方式弛豫到量子点的s壳层,这时它会通过辐射光子的方式回到基态。当然,量子点的激发方法很多,如近共振激发,即激光的能量等于p壳层激子的能量,这种情况下电子和空穴将直接产生在量子点p壳层上,p壳层激子会通过释放声子的方式弛豫到s壳层,最终复合产生光子。准共振激发在实际应用中有很多优势,例如,量子点系综中有很多尺寸不一样的量子点,它们对应的能级结构也不相同,采用准共振激发就有可能只激发样品中的某个特定的量子点。在测量子点能级寿命时,利用准共振激发可以让激子快速弛豫到s壳层。最后,s壳层的电子空穴对也可以直接用激光激发出来,这样的激发模式称为共振激发。最后,说明一下量子点中的两个重要的概念,即激子和双激子。当量子点中的电子被激发时,会在价带上留下一个空穴,这个电子和空穴会通过库仑力相互作用,形成一个整体,我们称之为激子。激子态会通过电子与空穴复合发光而回到基态。同理,如果量子点中有两个电子被激发,则会产生两对电子空穴对,它们通过库仑力相互作用,形成双激子。2.量子点中Leggett-Garg不等式的违背。由我们熟悉的经典世界到奇异的量子世界的过渡是理解这个世界的最基本的问题之一,Leggett-Garg不等式提供了一个判据来区分量子系统和经典系统,并且可以用来证明宏观叠加态。我们根据量子点双激子态中的级联辐射过程,建立了量子点四能级跃迁模型。由于量子点系统中发射的光子和量子点本身具有强烈的关联,我们可以通过研究辐射的光子态来实现量子点系统状态的研究。我们在量子点系统中理论模拟了LG不等式的违背,发现当量子点的精细结构劈裂、背景噪声和温度很小时,我们可以轻易地实现LG不等似的违背,而且我们可以看到LG不等式确实可以作为一个判定量子和经典的依据,即可以看到量子点系统由量子到经典的过渡。3.首次通过Franson型干涉的方法测量了量子点双激子态的非均匀展宽。在单原子系统中,由于原子周围的环境可以被限制和控制,因此一个孤立的原子级联辐射过程具有尖锐的光谱特征,即光谱展宽是均匀的。然而,量子点中强烈限制的电子空穴对(双激子)会被周围的环境影响,因此量子点的光谱具有非均匀展宽的特征。量子点中频谱展宽会阻碍人们研究系统的固有性质,且对级联辐射的纠缠光子对的质量有很大影响。尽管在单量子点中双激子态的频谱展宽效应是很重要的,但是目前关于双激子频谱展宽效应的研究仍然很少,这里,我们使用Franson干涉的方法来研究双激子态的频谱展宽效应。实验中我们通过Franson干涉的方法测出量子点双激子态能级的频谱总展宽,包括均匀展宽和非均匀展宽,均匀展宽可以通过测量双光子的互关联函数得到,这样我们就可以得到量子点双激子态的非均匀展宽。实验结果发现,和量子点激子态能级展宽相比,双激子态的能级的非均匀展宽要小很多。4.实验上验证了基于态可分性的维度见证方案,可以判定任意的未知系统的维度,在给定系统维度的情况下,可以分辨未知系统是量子系统还是经典系统。在量子力学中,系统的维度是一个非常重要的概念,建立理论模型时,我们通常会对物理系统的维度做一个最基本的假定。这就涉及到一个很根本的问题是否可以通过实验结果来反推出一个未知系统的维度。这是一个和量子信息密切相关的问题,因为系统的维度可以看作是量子信息传输中的一种重要资源。高维系统可以用来实现更有效和更强大的方案。本文验证了一类新型的维度见证方案,该方案适用于任意维度的未知的经典和量子系统的维度见证,这种方案是利用量子态的可区分性来判定一个未知系统的维度。并且在给定系统维度的情况下,还能区分经典系统和量子系统。另外,这种新方案还能区分实的量子比特(即量子比特对应的量子态中不存在复数,称为实的qubit)和复的量子比特。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O471.1

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本文编号：1287565