量子信息科學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展向我們呈現(xiàn)出了一幅完全不同并近乎完美的畫面,例如,絕對安全的通信,信息的隱形傳輸以及指數(shù)級增長的計算能力。這種美好促使著數(shù)十年來科研工作者們前赴后繼,并在不同的量子系統(tǒng)中去闡述和開發(fā)量子科技。光量子系統(tǒng),以其對環(huán)境噪聲的完美免疫和高保真度的單量子比特調(diào)控,在量子信息傳輸和處理中一直占據(jù)著重要地位。復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)需囊括數(shù)以萬計基本元件,考慮到量子器件的可擴展性,穩(wěn)定性和小型化等問題,我們需要引入波導(dǎo)集成技術(shù)。硅材料,以其便宜,易加工,并能夠密集集成等優(yōu)勢,在微電子學(xué)芯片中處于核心地位。同樣在光信息科學(xué)上,硅材料憑借著成熟的加工工藝,以及硅波導(dǎo)對光信號的強束縛能力和較高的非線性系數(shù),硅基光量子芯片在近幾年也取得了快速發(fā)展。齊全的集成光學(xué)系統(tǒng)除了功能性的量子集成光學(xué)芯片之外,還需要實現(xiàn)芯片-光纖間的耦合,片上量子態(tài)調(diào)控以及量子信號測試和處理等。本論文致力于這樣一套齊全的硅基量子光學(xué)集成芯片系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計和實驗測量,主要包括兩個方面,一方面是實現(xiàn)片上光量子態(tài)的傳輸和調(diào)控,另一方面是基于硅波導(dǎo)的非線性光學(xué)相互作用,制備新型量子糾纏光源。具體的研究內(nèi)容包括:（1）根據(jù)波... 

【文章來源】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安徽省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：108 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

圖１．１集成量子光學(xué)器件示意圖

波導(dǎo)基本概念??成光子學(xué)的概念，最早是１９６９年由美國貝爾實驗室的科學(xué)家Ｓｔｅｗａｒｔ率先提出［１］。而集成光學(xué)芯片，是把激光器、調(diào)制器和探測器等主，用光波導(dǎo)、分束器和濾波器等被動無源器件連接起來，并且集成在上的光學(xué)系統(tǒng)，具有多功能化、集成化，小型化等優(yōu)點。而量子集成旨在芯片尺度實現(xiàn)不同的量子功能，進一步促進量子信息科學(xué)的發(fā)展前集成光學(xué)芯片中用到的材料有很多，如硅基材料（二氧化硅（Ｓｉ０２ｉ?），氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４?）等），ＩＩＩ－Ｖ族材料（砷化鎵（ＧａＡｓ?），磷化銦（Ｉｎ鈮酸鋰（ＬｉＮｂ０３）等。目前在集成光量子芯片中，以硅基材料中的常用。桂波導(dǎo)一般通過刻蝕ＳＯＩ?（?Ｓｉｌｉｃｏｎ－ｏｎ－ｉｎｓｕｌａｔｏｒ，絕緣襯底上獲得，最常用的晶圓表面掛厚度為２２０ｎｍ，掛下面是一層２ｐｍ厚的Ｓ往下為硅基底。刻蝕得到的單模硅波導(dǎo)截面尺寸通常為２２０ｘ４５０ｎｍ２?（子掃描顯微鏡（ＳＥＭ）圖所示），并且硅波導(dǎo)的彎曲半徑可低至５＾ｍ，以實現(xiàn)很高的集成度［２，?３］。??（ｂ）??

?Ｌ＿?Ｏ??圖２．２四波混頻過程及波導(dǎo)基本結(jié)構(gòu)。（ａ）四波混頻過程能級圖。（ｂ，ｃ）用于產(chǎn)生光子??對的螺旋線和環(huán)形器結(jié)構(gòu)示意圖。??可能產(chǎn)生許多對光子。即使如此，這種自發(fā)非線性參量光源可同單光子探測器，??轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)以及相應(yīng)的快速電控設(shè)備相結(jié)合，來構(gòu)造近確定的單光子源［１３］。??（ａ）?（ｂ）??８ｕｆｔｃｈ?Ｓｐ＆ｔ?Ｐｏｉａｎｚａｔｉｏｒ＞＇？ｍｍ）ｇ）ｅｄ?ｐｈｏｔｏｎ?ｐａｉｒｓ??＾?Ｓｉ０＾４ｖ?２＾?ｃｏｒｅ??Ｊ?—１＾－＊?魯》?Ｂ４０（Ｗ）?ｘ?８４０｛Ｈ｝?ｎｍ７??二?ｋ?ｉ；？－＼??（）?￣１?ｍｍ??Ｉ＂?’—…Ｉ??一一?－一?丄??－?ｗｓｍ＾．??圖２．３片上不同自由度雙光子糾纏源結(jié)構(gòu)示意圖。（ａ）路徑編碼雙光子糾纏源。摘自文獻??［１０］。（ｂ）偏振編碼雙光子糾纏源。摘自文獻［１１］。（ｃ）波導(dǎo)模式編碼雙光子糾纏源。摘??自文獻［１２］。??在光源制備成功之后，首先要做的是濾除量子信號中的泵浦激光，一是為了??防止后續(xù)態(tài)操作結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生新的量子噪聲，另外是為了防止過高的泵浦激光對??單光子探測器造成損傷和引入經(jīng)典噪聲。研宄表明，為了達到量子光學(xué)器件進??一步擴展的要求，需要將泵浦光濾除到遠(yuǎn)低于信號的級別，片上濾波器的隔離度??至少需要達到１２０ｄＢ［１４］。??一個典型的量子光源制備過程如圖２．４?（ａ）所示，泵浦激光需先經(jīng)過前置??濾波器（ＩＦ?）來濾除兩邊的雜散噪聲


本文編號：3389260