基于半導(dǎo)體自組織量子點(diǎn)的量子光源.pdf

1、量子信息科學(xué)誕生于20世紀(jì)后半葉，是物理學(xué)中量子理論與信息學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)相結(jié)合的領(lǐng)域，包含量子通信與量子計(jì)算兩部分內(nèi)容。隨著人們不斷改進(jìn)計(jì)算機(jī)集成芯片的生產(chǎn)技術(shù)，芯片尺寸已經(jīng)逐漸縮小到納米量級(jí)，若再繼續(xù)往下發(fā)展，量子效應(yīng)將逐漸開始表現(xiàn)得顯著。而且單位面積內(nèi)芯片元件數(shù)量的增加，也帶來了難以解決的熱耗問題。物理學(xué)家landauer指出傳統(tǒng)的經(jīng)典邏輯運(yùn)算是單向的，即信息的計(jì)算與處理過程是不可逆的，這種不可逆的過程是芯片產(chǎn)生熱耗效應(yīng)的根源，從原

2、理上也限制了芯片集成度的進(jìn)一步發(fā)展。因此研究新的計(jì)算模型的架構(gòu)顯得十分必要。此外由于Shor的量子大數(shù)分解算法以及Bennett的量子保密通信協(xié)議的提出，展現(xiàn)了量子并行計(jì)算和量子保密通信的強(qiáng)大潛力，使人們對(duì)可逆的量子計(jì)算和量子通信寄予了厚望，使量子信息得以發(fā)展具備了可能性。
　　與經(jīng)典信息一樣，量子信息同樣需要依靠真實(shí)的物理系統(tǒng)。光子作為量子通信的信息載體是被普遍認(rèn)可的純凈系統(tǒng)，也是光通信技術(shù)發(fā)展的重要分支。因此能夠產(chǎn)生單光子和糾

3、纏光子的量子光源成為了量子信息產(chǎn)生和傳輸過程的源頭，依靠光子加載量子信息，在量子網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點(diǎn)之間傳輸和處理這樣的光子是人們對(duì)量子通信的設(shè)想。半導(dǎo)體量子點(diǎn)就是這樣一種極具潛力的量子光源系統(tǒng)，它是由分子束外延技術(shù)生長的一種準(zhǔn)零維的納米材料，對(duì)載流子電子與空穴的作用相當(dāng)于一個(gè)勢(shì)阱，因而載流子在其中具有類似原子的分立能級(jí)結(jié)構(gòu)，能級(jí)躍遷時(shí)可以發(fā)射出單光子。它在制造工藝上和現(xiàn)有的半導(dǎo)體加工工藝相兼容，易于集成且性能穩(wěn)定，而且發(fā)出的光子波長在一定程度

4、上可以控制，因此備受人們關(guān)注。我們這里主要研究自組織量子點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì)，并且用它產(chǎn)生單光子和糾纏光子對(duì)。本文的主要結(jié)果有:
　　1.稀點(diǎn)法獲得單光子源。半導(dǎo)體自組織量子點(diǎn)是生長過程中，由于晶格釋放內(nèi)部應(yīng)力而在異質(zhì)界面上隨機(jī)形成的，其大小、密度與發(fā)光性質(zhì)都各不相同。但是通過控制生長溫度，各元素組分的比例以及沉積的速率，可以在一定程度上控制分布的規(guī)律。我們使用密度呈階梯分布的量子點(diǎn)樣品進(jìn)行研究實(shí)驗(yàn)，不用任何后續(xù)的加工手段，而在密度稀疏的

5、地方找到并隔離出單個(gè)量子點(diǎn)。將其作為單光子源，每秒鐘能夠探測(cè)到10萬個(gè)單光子，二階自相關(guān)度小于0.27。
　　2.研究量子點(diǎn)的四能級(jí)躍遷模型與關(guān)聯(lián)函數(shù)。單個(gè)量子點(diǎn)中束縛兩對(duì)總自旋相反的電子空穴對(duì)形成雙激子，并通過級(jí)聯(lián)輻射發(fā)出雙光子對(duì)的過程，可以抽象成一個(gè)四能級(jí)系統(tǒng)。我們?cè)诶碚撋涎芯窟@個(gè)模型時(shí)引入了溫度作為一個(gè)參數(shù)，再利用能級(jí)躍遷的時(shí)間關(guān)聯(lián)函數(shù)可以得到光子對(duì)的偏振密度矩陣，并進(jìn)一步得到其發(fā)光特性。我們對(duì)此模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，解釋光子

6、對(duì)保真度隨時(shí)間演化的一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　3.利用四能級(jí)模型研究光子對(duì)偏振糾纏與量子關(guān)聯(lián)的動(dòng)力學(xué)演化性質(zhì)。量子點(diǎn)中參與級(jí)聯(lián)輻射過程的兩個(gè)激子發(fā)出光子的偏振相互正交，因此有兩種輻射路徑，若不能從其他條件獲區(qū)分輻射路徑，則級(jí)聯(lián)輻射過程發(fā)出的光子對(duì)是偏振糾纏的。我們用四能級(jí)模型研究了量子點(diǎn)發(fā)射光子對(duì)的糾纏動(dòng)力學(xué)演化過程，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高而出現(xiàn)的糾纏突然死亡的現(xiàn)象。另外，量子關(guān)聯(lián)是比量子糾纏更廣泛的概念，包含了兩個(gè)粒子之間一切不能用經(jīng)典關(guān)聯(lián)

7、描述的關(guān)系。我們?cè)谟盟哪芗?jí)模型模擬了量子點(diǎn)發(fā)光性質(zhì)的基礎(chǔ)上，討論了級(jí)聯(lián)輻射光子對(duì)之間的量子關(guān)聯(lián)的演化情況，指出量子關(guān)聯(lián)演化的一些特性不受環(huán)境中白噪聲的影響，只與體系內(nèi)聲子輔助的過程有關(guān)。
　　4.實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)級(jí)聯(lián)輻射光子對(duì)的Franson型干涉，及探測(cè)雙激子能級(jí)的非均勻展寬。量子點(diǎn)材料中載流子的運(yùn)動(dòng)對(duì)量子點(diǎn)造成了一個(gè)隨機(jī)電場(chǎng)，這個(gè)隨機(jī)的電場(chǎng)導(dǎo)致了量子點(diǎn)內(nèi)部能級(jí)的非均勻展寬，進(jìn)而影響對(duì)量子點(diǎn)系統(tǒng)的相干控制以及輻射光子對(duì)的糾纏的質(zhì)量。我