基于量子点的高品质单光子源和相干性质研究

发布时间：2017-06-05 09:03

  本文关键词：基于量子点的高品质单光子源和相干性质研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：单光子和纠缠光子源在量子信息领域中有着重要的作用,比如量子密钥分发、线性光学量子计算。量子点又被称为人造原子,是一种纳米结构材料,能够囚禁电子和空穴,具有分立的能级结构,可用于产生单光子和纠缠光子对。本文主要研究基于In(Ga)As/GaAs自组装半导体量子点的单光子源实现。自组装半导体量子点不仅具有优秀的光学性质,能够产生线宽接近傅里叶变化极限的不可分辨的单光子；同时,利用半导体异质结和后生长处理技术,能够调控量子点和光的相互作用强度以及控制量子点的带电状态。 我们在实验上发展了共振荧光技术,并结合频率滤波,实现了高纯度高质量的确定性单光子源。二阶关联测量实验表明多光子概率只有1.2%,双光子干涉实验显示单光子的不可分辨性达到了97%,远大于带上(非共振)激发方式所获得的70%全同性的单光子。在此基础上,我们通过绝热快速通道的途径,用啁啾脉冲来激发量子点的带电激子态,实现了在低温条件下,激发态的布居数与激发功率无关,获得了鲁棒性的量子点单光子源。用此方法产生的单光子二阶关联函数小于0.3%,光子全同性优于97.9%,这种稳定的高品质的单光子源可以用于量子计算,如产生多光子纠缠态。 此外,我们还在实验上系统地研究了温度对量子点相干性质的影响。要实现基于量子点体系的量子信息处理和量子通讯,保持其量子态的相干性是非常重要的,量子操控的保真度和量子干涉的对比度都依赖于量子系统在长时间内保持相干性质的能力。量子点的相干性质会受到环境声子散射的影响,导致激发态的退相干和谱线加宽。我们通过测量在不同温度下Mollow三重谱的边带线宽,发现了由于量子点和声子的相互作用导致拉比频率重整化,使得有效拉比频率-边带的劈裂与温度有关；我们还首次观测到量子点共振荧光线宽几乎不随着温度变化,此发现对于量子点在量子信息领域应用中的有着重要意义。
【关键词】：量子点 单光子 共振荧光 不可分辨性 绝热快速通道 鲁棒性 温 度 拉比频率重整化
【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】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-12
• 插图12-15
• 第一章 绪论15-23
• 1.1 量子比特和量子纠缠15-18
• 1.1.1 量子比特15-17
• 1.1.2 量子纠缠17-18
• 1.2 半导体量子点在量子信息领域的应用18-20
• 1.2.1 量子点单光子源19-20
• 1.2.2 量子点电子自旋20
• 1.3 论文结构20-23
• 第二章 自组装半导体量子点23-37
• 2.1 自组装半导体量子点的生长23-24
• 2.2 自组装半导体量子点的能级结构24-30
• 2.2.1 中性激子态25-27
• 2.2.2 带负电激子态27-29
• 2.2.3 双激子态29-30
• 2.3 微腔中的量子点30-32
• 2.4 纳米线量子点32-35
• 2.5 小结35-37
• 第三章 基于半导体量子点的确定性单光子源37-61
• 3.1 量子点样品结构和低温实验装置38-39
• 3.2 量子点和光相互作用理论39-47
• 3.2.1 量子点和单模光场相互作用半经典理论39-42
• 3.2.2 共振荧光谱42-47
• 3.3 连续激发下的量子点荧光光谱47-50
• 3.3.1 非共振连续激发47-48
• 3.3.2 共振连续激发48-50
• 3.4 确定性的量子点单光子产生50-55
• 3.4.1 多重滤波技术50-51
• 3.4.2 脉冲单光子性质51-52
• 3.4.3 双光子干涉52-55
• 3.5 量子受控非门的演示55-59
• 3.5.1 量子受控非门56-58
• 3.5.2 实验结果58-59
• 3.6 小结59-61
• 第四章 确定性和鲁棒性的半导体量子点单光子源61-77
• 4.1 绝热快速通道62-67
• 4.1.1 用拉比旋转的方法实现布居反转62-63
• 4.1.2 绝热快速通道原理63-65
• 4.1.3 啁啾脉冲的产生65-67
• 4.2 鲁棒性的量子点单光子源67-75
• 4.2.1 绝热快速通道在量子点系统中的实现67-71
• 4.2.2 鲁棒性的光子产生71
• 4.2.3 单光子的性质71-75
• 4.3 小结75-77
• 第五章 量子点相干性质和温度的关系77-91
• 5.1 理论模型78-83
• 5.1.1 弱耦合模型78-79
• 5.1.2 极子变换79-80
• 5.1.3 主方程推导80-83
• 5.2 共振荧光谱线性质与激发功率的关系83-86
• 5.2.1 实验装置和量子点能级结构83
• 5.2.2 共振荧光谱线和激发功率的关系83-86
• 5.3 量子点相干性质和温度的关系86-89
• 5.3.1 共振荧光谱线和温度的关系86-88
• 5.3.2 量子点和声子相互作用的物理图像88-89
• 5.4 小结89-91
• 第六章 结论和展望91-93
• 参考文献93-103
• 致谢103-105
• 在读博士期间取得的研究成果105-106

【共引文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 李星星;蒋美萍;朱贤方;苏江滨;;图案化金属铜膜的SIAD法自组装制备[J];科学通报;2013年18期

2 孙丙西;武雪飞;窦秀明;丁琨;孙宝权;;流体静压原位调节单量子点中单双激子能量及精细结构劈裂[J];河北科技师范学院学报;2014年04期

3 何玉明;魏宇佳;贺煜;熊飞雷;陈凯;赵勇;陆朝阳;;基于半导体量子点的单光子源:原理、实现和前景[J];中国科学:信息科学;2014年03期

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2 何玉明;高品质量子点单光子源和自旋光子界面[D];中国科学技术大学;2014年

3 任祺君;基于腔量子电动力学的单个量子点与微腔的耦合与调控研究[D];复旦大学;2010年

4 黄晖;声子库对受驱量子点系统中光场非经典性质的影响[D];华中师范大学;2014年

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本文编号：423353