【摘要】：隨著量子技術(shù)的發(fā)展和理論的不斷完善,尋找更好的量子信息處理方案成為了一個前景廣闊的研究方向。其中,高效、穩(wěn)定、可擴(kuò)展量子光源的實現(xiàn)是一個亟待解決的關(guān)鍵問題。半導(dǎo)體量子點(diǎn)由于其簡單的實現(xiàn)特性、易于集成和潛在的大規(guī)模應(yīng)用價值,近年來引起了人們的關(guān)注,因此,利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)的單光子源是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。實現(xiàn)高單光子純度的量子光源可以保證量子通信的安全性并最大限度地減少量子計算和模擬中的錯誤,在實際生產(chǎn)應(yīng)用中具有重大意義。本文在量子點(diǎn)光子分子和量子點(diǎn)腔陣列耦合系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出了兩種方案來產(chǎn)生高效穩(wěn)定的單光子源。主要工作內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:1.第三章提出了一種基于量子點(diǎn)-光子分子耦合系統(tǒng)的高效、可擴(kuò)展單光子源。該系統(tǒng)使用由兩個光學(xué)微腔A和B耦合形成的光子分子,其中一個微腔含有量子點(diǎn)。連續(xù)波激勵激光作用于A腔中的量子點(diǎn),通過耦合強(qiáng)度g與腔A相互作用,且通過A腔與B腔中光場的相互作用,在B腔中產(chǎn)生單光子,并在其中進(jìn)行輸出提取。本模型在設(shè)計過程中充分考慮到了實際應(yīng)用中必然遇到的問題,即輸出光與激勵光的分離,我們介紹了本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在輸出光與激勵光分離時的優(yōu)勢所在,還深入分析了一些衡量單光子源性能的物理概念與含義。針對計算結(jié)果我們給出了詳盡的分析,找到了一些決定系統(tǒng)性能的參數(shù)間關(guān)系的規(guī)律性,并對實際制備這一系統(tǒng)提供了建議。該系統(tǒng)在大范圍的點(diǎn)腔耦合強(qiáng)度變化(0.25kgk)和低腔隧穿強(qiáng)度(J≥0.5 k)下保持良好的單光子純度。采用E/2π=1GHz強(qiáng)度的連續(xù)波激勵,在可實現(xiàn)的最佳實驗參數(shù)條件下,系統(tǒng)的零延遲二階相關(guān)函數(shù)可接近10-7且同時保證0.25個每納秒的輸出光子強(qiáng)度。在本文提出的單光子純度與輸出強(qiáng)度均衡的方案下,可以實現(xiàn)單光子時均輸出達(dá)1.1個每納秒的同時保證單光子純度達(dá)到g2(0)10-5。我們還從理論上解釋了系統(tǒng)產(chǎn)生亞泊松分布光的原因。本文所提出的模型對未來量子信息處理中高效、可擴(kuò)展的單光子源設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。2.第四章中進(jìn)一步研究了連續(xù)波激勵量子點(diǎn)下單量子點(diǎn)與由三個空腔A、B、C耦合形成的微腔陣列耦合系統(tǒng)的性能。量子點(diǎn)處于腔A中,與腔A的光學(xué)模式耦合,且腔A與腔B相鄰、與腔C不相鄰。在腔B腔C中都可以得到單光子輸出,只是腔C中的單光子純度較低,因此我們在腔B中進(jìn)行單光子的提取。研究結(jié)果表明,引入一個額外的空腔可以在一定程度上使系統(tǒng)較第三章中設(shè)計的單光子源產(chǎn)生純度更高的單光子,并且,在某些參數(shù)條件下,還可以從系統(tǒng)中得到超泊松分布光。某些參數(shù)范圍內(nèi)其單光子純度優(yōu)于前面的量子點(diǎn)-光子分子耦合系統(tǒng),意味著可以通過腔C的引入對第三章中設(shè)計的單光子源的單光子純度性能進(jìn)行改善。這一系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于構(gòu)造上較為復(fù)雜,且單光子輸出效率比第三章中提出的系統(tǒng)略差。而當(dāng)某些量子光學(xué)過程需要更高的單光子純度時,可以采用本系統(tǒng)提出的模型構(gòu)造單光子源。
【學(xué)位授予單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O471.1
【圖文】：

邐第一章緒論邐逡逑一種經(jīng)典的量子點(diǎn)制備方式采用ＧａＡｓ作為基底，生長制備ＩｎＡｓ量子點(diǎn)逡逑［１８］，這兩種材料的晶格失配較大，因此采用分子外延的方法制備生長。由此種逡逑材料制備的量子點(diǎn)有著很寬的能量帶隙，可以在寬范圍內(nèi)對系統(tǒng)的光譜進(jìn)行調(diào)逡逑控。制備過程中，會形成一種稱作浸潤層的結(jié)構(gòu)，由ＩｎＡｓ構(gòu)成。量子點(diǎn)制備技逡逑術(shù)隨著實驗技術(shù)的不斷進(jìn)步愈發(fā)成熟，可以批量制備大量量子點(diǎn)。這里簡要描逡逑述一下這種ＧａＡｓ中基于ＩｎＡｓ的量子點(diǎn)這種自組裝外延生長量子點(diǎn)。ＩｎＡｓ和逡逑ＧａＡｓ是共價的鍵合直接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙能量在４ｋ時為Ｅｇ（ＩｎＡｓ）＝逡逑０．４３ｅｖ，Ｅｇ（ＧａＡｓ）邋＝邋１．５２邋ｅＶ，７％的ＧａＡｓ和ＩｎＡｓ之間的晶格常數(shù)不匹配抑制逡逑

兩個低能暗態(tài)激子，＝邋±２；邋—個亮態(tài)雙激子，——兩個電子和兩個空穴；逡逑和兩個帶電荷的稱為三子的激子——激子含有一個多余電子ｐｒ＞或空穴丨義＋＞。逡逑圖１－２繪制了邋ＧａＡｓ量子點(diǎn)的激子丨；0、雙激子丨義；0和三子態(tài)ｐＴ＞、的光逡逑譜，圖片上方的四個圓形圖中展示的是四個峰值對應(yīng)的量子點(diǎn)的電荷、自旋分逡逑布結(jié)構(gòu)。逡逑ｆ！0ｊ邋Ｘ邋＞0＜邐父Ｊ？—逡逑？§邋Ａ—ｍ逡逑—邋ｙ邋１邐＊邐｜邐！邐！邐邐，Ｔ逡逑１７４０邐１７５０逡逑Ｐｈｏｔｏｎ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｍｅＶ）逡逑圖１－２邋ＧａＡｓ量子點(diǎn)的非共振光致發(fā)光譜＠逡逑１．３腔置子電動力學(xué)逡逑在描述對量子點(diǎn)進(jìn)行放射調(diào)控的簡單系統(tǒng)模型中，量子點(diǎn)被視為一個放射逡逑源，其余系統(tǒng)視作放射源所處的光場環(huán)境。如果這一光場環(huán)境是受到限制的，逡逑且系統(tǒng)中光的量子特性顯著時，可以用腔量子電動力學(xué)對其進(jìn)行物理分析％］。逡逑ＣＱＥＤ的初步研究主要是基于里德堡原子［２７］或基態(tài)原子［２８］的熱束，之后是逡逑基于被困在法布里－珀羅空腔中的激光冷卻原子［２９Ｌ在基于這些系統(tǒng)的實驗中，逡逑己經(jīng)實現(xiàn)了對光－物質(zhì)相互作用的前所未有的控制

兩個低能暗態(tài)激子，＝邋±２；邋—個亮態(tài)雙激子，——兩個電子和兩個空穴；逡逑和兩個帶電荷的稱為三子的激子——激子含有一個多余電子ｐｒ＞或空穴丨義＋＞。逡逑圖１－２繪制了邋ＧａＡｓ量子點(diǎn)的激子丨；0、雙激子丨義；0和三子態(tài)ｐＴ＞、的光逡逑譜，圖片上方的四個圓形圖中展示的是四個峰值對應(yīng)的量子點(diǎn)的電荷、自旋分逡逑布結(jié)構(gòu)。逡逑ｆ！0ｊ邋Ｘ邋＞0＜邐父Ｊ？—逡逑？§邋Ａ—ｍ逡逑—邋ｙ邋１邐＊邐｜邐！邐！邐邐，Ｔ逡逑１７４０邐１７５０逡逑Ｐｈｏｔｏｎ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋（ｍｅＶ）逡逑圖１－２邋ＧａＡｓ量子點(diǎn)的非共振光致發(fā)光譜＠逡逑１．３腔置子電動力學(xué)逡逑在描述對量子點(diǎn)進(jìn)行放射調(diào)控的簡單系統(tǒng)模型中，量子點(diǎn)被視為一個放射逡逑源，其余系統(tǒng)視作放射源所處的光場環(huán)境。如果這一光場環(huán)境是受到限制的，逡逑且系統(tǒng)中光的量子特性顯著時，可以用腔量子電動力學(xué)對其進(jìn)行物理分析％］。逡逑ＣＱＥＤ的初步研究主要是基于里德堡原子［２７］或基態(tài)原子［２８］的熱束，之后是逡逑基于被困在法布里－珀羅空腔中的激光冷卻原子［２９Ｌ在基于這些系統(tǒng)的實驗中，逡逑己經(jīng)實現(xiàn)了對光－物質(zhì)相互作用的前所未有的控制

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