基于半導(dǎo)體自組織量子點的量子光源.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)和計算機科學(xué)相結(jié)合的領(lǐng)域，包含量子通信與量子計算兩部分內(nèi)容。隨著人們不斷改進(jìn)計算機集成芯片的生產(chǎn)技術(shù)，芯片尺寸已經(jīng)逐漸縮小到納米量級，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)典邏輯運算是單向的，即信息的計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)了量子并行計算和量子保密通信的強大潛力，使人們對可逆的量子計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)點之間傳輸和處理這樣的光子是人們對量子通信的設(shè)想。半導(dǎo)體量子點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，對載流子電子與空穴的作用相當(dāng)于一個勢阱，因而載流子在其中具有類似原子的分立能級結(jié)構(gòu)，能級躍遷時可以發(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的光學(xué)性質(zhì)，并且用它產(chǎn)生單光子和糾纏光子對。本文的主要結(jié)果有:
　　1.稀點法獲得單光子源。半導(dǎo)體自組織量子點是生長過程中，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樣品進(jìn)行研究實驗，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量子點。將其作為單光子源，每秒鐘能夠探測到10萬個單光子，二階自相關(guān)度小于0.27。
　　2.研究量子點的四能級躍遷模型與關(guān)聯(lián)函數(shù)。單個量子點中束縛兩對總自旋相反的電子空穴對形成雙激子，并通過級聯(lián)輻射發(fā)出雙光子對的過程，可以抽象成一個四能級系統(tǒng)。我們在理論上研究這個模型時引入了溫度作為一個參數(shù)，再利用能級躍遷的時間關(guān)聯(lián)函數(shù)可以得到光子對的偏振密度矩陣，并進(jìn)一步得到其發(fā)光特性。我們對此模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，解釋光子

6、對保真度隨時間演化的一些實驗現(xiàn)象。
　　3.利用四能級模型研究光子對偏振糾纏與量子關(guān)聯(lián)的動力學(xué)演化性質(zhì)。量子點中參與級聯(lián)輻射過程的兩個激子發(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，則級聯(lián)輻射過程發(fā)出的光子對是偏振糾纏的。我們用四能級模型研究了量子點發(fā)射光子對的糾纏動力學(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。我們在用四能級模型模擬了量子點發(fā)光性質(zhì)的基礎(chǔ)上，討論了級聯(lián)輻射光子對之間的量子關(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.實現(xiàn)量子點級聯(lián)輻射光子對的Franson型干涉，及探測雙激子能級的非均勻展寬。量子點材料中載流子的運動對量子點造成了一個隨機電場，這個隨機的電場導(dǎo)致了量子點內(nèi)部能級的非均勻展寬，進(jìn)而影響對量子點系統(tǒng)的相干控制以及輻射光子對的糾纏的質(zhì)量。我