《中国科学技术大学》2015年博士论文

发布时间：2016-10-27 11:09

  本文关键词：基于半导体自组织量子点的量子光源，由笔耕文化传播整理发布。

《中国科学技术大学》 2015年

基于半导体自组织量子点的量子光源

邹扬  

【摘要】：量子信息科学诞生于20世纪后半叶,是物理学中量子理论与信息学和计算机科学相结合的领域,包含量子通信与量子计算两部分内容。随着人们不断改进计算机集成芯片的生产技术,芯片尺寸已经逐渐缩小到纳米量级,若再继续往下发展,量子效应将逐渐开始表现得显著。而且单位面积内芯片元件数量的增加,也带来了难以解决的热耗问题。物理学家landauer指出传统的经典逻辑运算是单向的,即信息的计算与处理过程是不可逆的,这种不可逆的过程是芯片产生热耗效应的根源,从原理上也限制了芯片集成度的进一步发展。因此研究新的计算模型的架构显得十分必要。此外由于Shor的量子大数分解算法以及Bennett的量子保密通信协议的提出,展现了量子并行计算和量子保密通信的强大潜力,使人们对可逆的量子计算和量子通信寄予了厚望,使量子信息得以发展具备了可能性。 与经典信息一样,量子信息同样需要依靠真实的物理系统。光子作为量子通信的信息载体是被普遍认可的纯净系统,也是光通信技术发展的重要分支。因此能够产生单光子和纠缠光子的量子光源成为了量子信息产生和传输过程的源头,依靠光子加载量子信息,在量子网络的各节点之间传输和处理这样的光子是人们对量子通信的设想。半导体量子点就是这样一种极具潜力的量子光源系统,它是由分子束外延技术生长的一种准零维的纳米材料,对载流子电子与空穴的作用相当于一个势阱,因而载流子在其中具有类似原子的分立能级结构,能级跃迁时可以发射出单光子。它在制造工艺上和现有的半导体加工工艺相兼容,易于集成且性能稳定,而且发出的光子波长在一定程度上可以控制,因此备受人们关注。我们这里主要研究自组织量子点的光学性质,并且用它产生单光子和纠缠光子对。本文的主要结果有： 1.稀点法获得单光子源。半导体自组织量子点是生长过程中,由于品格释放内部应力而在异质界面上随机形成的,其大小、密度与发光性质都各不相同。但是通过控制生长温度,各元素组分的比例以及沉积的速率,可以在一定程度上控制分布的规律。我们使用密度呈阶梯分布的量子点样品进行研究实验,不用任何后续的加工手段,而在密度稀疏的地方找到并隔离出单个量子点。将其作为单光子源,每秒钟能够探测到10万个单光子,二阶自相关度小于0.27。 2.研究量子点的四能级跃迁模型与关联函数。单个量子点中束缚两对总自旋相反的电子空穴对形成双激子,并通过级联辐射发出双光子对的过程,可以抽象成一个四能级系统。我们在理论上研究这个模型时引入了温度作为一个参数,再利用能级跃迁的时间关联函数可以得到光子对的偏振密度矩阵,并进一步得到其发光特性。我们对此模型进行了数值模拟,解释光子对保真度随时间演化的一些实验现象。 3.利用四能级模型研究光子对偏振纠缠与量子关联的动力学演化性质。量子点中参与级联辐射过程的两个激子发出光子的偏振相互正交,因此有两种辐射路径,若不能从其他条件获区分辐射路径,则级联辐射过程发出的光子对是偏振纠缠的。我们用四能级模型研究了量子点发射光子对的纠缠动力学演化过程,发现随着温度升高而出现的纠缠突然死亡的现象。另外,量子关联是比量子纠缠更广泛的概念,包含了两个粒子之间一切不能用经典关联描述的关系。我们在用四能级模型模拟了量子点发光性质的基础上,讨论了级联辐射光子对之间的量子关联的演化情况,指出量子关联演化的一些特性不受环境中白噪声的影响,只与体系内声子辅助的过程有关。 4.实现量子点级联辐射光子对的Franson型干涉,及探测双激子能级的非均匀展宽。量子点材料中载流子的运动对量子点造成了一个随机电场,这个随机的电场导致了量子点内部能级的非均匀展宽,进而影响对量子点系统的相干控制以及辐射光子对的纠缠的质量。我们在实验上实现了量子点级联辐射光子对的Franson型干涉,并利用它直接测量了双激子能级的非均匀展宽,结果发现这个双激子能级的非均匀展宽比已知的激子能级展宽要小很多,预示着级联辐射过程可以产生很好的纠缠光子对。

【关键词】：
【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】：2015
【分类号】：O471.1
【目录】：

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