本文關(guān)鍵詞：量子點單光子源在量子信息中的應(yīng)用及量子維度的研究

  更多相關(guān)文章： 半導(dǎo)體自組織量子點 單光子源 級聯(lián)輻射 Leggett-Garg不等式 Franson干涉 非均勻展寬 維度見證

【摘要】：目前量子點單光子源已經(jīng)取得了很大的進展,例如量子點的光譜范圍已經(jīng)由紫外擴展到近紅外,這是一個很大的進步。除此以外,量子點光子的偏振控制、室溫下量子點發(fā)光性質(zhì)的操作、電學(xué)方式激發(fā)量子點以及實驗上產(chǎn)生高純度的單光子源等方向都取得了巨大進步,人們對于量子點激發(fā)過程以及量子點的相干時間的了解更加深入,這些突破使得自組織量子點單光子源更加實用�，F(xiàn)在人們更加關(guān)心量子點中單光子的不可分辨性及量子點輻射光子的收集效率。另外,人們越來越重視微腔等納米結(jié)構(gòu)對量子點發(fā)光的影響,例如可以利用微腔來提高量子點發(fā)射光子的收集效率。高效率和錯誤率低的單光子源在量子通信和量子計算領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文主要研究了自組織量子點的一些基本光學(xué)性質(zhì)和能級結(jié)構(gòu),并利用量子點單光子源完成了一系列的研究。本文主要內(nèi)容有：1.半導(dǎo)體自組織量子點的光學(xué)性質(zhì)及激發(fā)方法。激發(fā)量子點的方式有很多種,其中最簡單的方式就是使用帶上激發(fā)(above-bandgap pumping),即實驗中使用一束能量高于GaAs帶隙的激光來激發(fā)量子點樣品,激光會在GaAs材料中產(chǎn)生自由的電子空穴對,這些自由的電子空穴對會隨機地被量子點捕獲,落入量子點的能級中,電子空穴對會通過釋放聲子的方式弛豫到量子點的s殼層,這時它會通過輻射光子的方式回到基態(tài)。當(dāng)然,量子點的激發(fā)方法很多,如近共振激發(fā),即激光的能量等于p殼層激子的能量,這種情況下電子和空穴將直接產(chǎn)生在量子點p殼層上,p殼層激子會通過釋放聲子的方式弛豫到s殼層,最終復(fù)合產(chǎn)生光子。準(zhǔn)共振激發(fā)在實際應(yīng)用中有很多優(yōu)勢,例如,量子點系綜中有很多尺寸不一樣的量子點,它們對應(yīng)的能級結(jié)構(gòu)也不相同,采用準(zhǔn)共振激發(fā)就有可能只激發(fā)樣品中的某個特定的量子點。在測量子點能級壽命時,利用準(zhǔn)共振激發(fā)可以讓激子快速弛豫到s殼層。最后,s殼層的電子空穴對也可以直接用激光激發(fā)出來,這樣的激發(fā)模式稱為共振激發(fā)。最后,說明一下量子點中的兩個重要的概念,即激子和雙激子。當(dāng)量子點中的電子被激發(fā)時,會在價帶上留下一個空穴,這個電子和空穴會通過庫侖力相互作用,形成一個整體,我們稱之為激子。激子態(tài)會通過電子與空穴復(fù)合發(fā)光而回到基態(tài)。同理,如果量子點中有兩個電子被激發(fā),則會產(chǎn)生兩對電子空穴對,它們通過庫侖力相互作用,形成雙激子。2.量子點中Leggett-Garg不等式的違背。由我們熟悉的經(jīng)典世界到奇異的量子世界的過渡是理解這個世界的最基本的問題之一,Leggett-Garg不等式提供了一個判據(jù)來區(qū)分量子系統(tǒng)和經(jīng)典系統(tǒng),并且可以用來證明宏觀疊加態(tài)。我們根據(jù)量子點雙激子態(tài)中的級聯(lián)輻射過程,建立了量子點四能級躍遷模型。由于量子點系統(tǒng)中發(fā)射的光子和量子點本身具有強烈的關(guān)聯(lián),我們可以通過研究輻射的光子態(tài)來實現(xiàn)量子點系統(tǒng)狀態(tài)的研究。我們在量子點系統(tǒng)中理論模擬了LG不等式的違背,發(fā)現(xiàn)當(dāng)量子點的精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂、背景噪聲和溫度很小時,我們可以輕易地實現(xiàn)LG不等似的違背,而且我們可以看到LG不等式確實可以作為一個判定量子和經(jīng)典的依據(jù),即可以看到量子點系統(tǒng)由量子到經(jīng)典的過渡。3.首次通過Franson型干涉的方法測量了量子點雙激子態(tài)的非均勻展寬。在單原子系統(tǒng)中,由于原子周圍的環(huán)境可以被限制和控制,因此一個孤立的原子級聯(lián)輻射過程具有尖銳的光譜特征,即光譜展寬是均勻的。然而,量子點中強烈限制的電子空穴對(雙激子)會被周圍的環(huán)境影響,因此量子點的光譜具有非均勻展寬的特征。量子點中頻譜展寬會阻礙人們研究系統(tǒng)的固有性質(zhì),且對級聯(lián)輻射的糾纏光子對的質(zhì)量有很大影響。盡管在單量子點中雙激子態(tài)的頻譜展寬效應(yīng)是很重要的,但是目前關(guān)于雙激子頻譜展寬效應(yīng)的研究仍然很少,這里,我們使用Franson干涉的方法來研究雙激子態(tài)的頻譜展寬效應(yīng)。實驗中我們通過Franson干涉的方法測出量子點雙激子態(tài)能級的頻譜總展寬,包括均勻展寬和非均勻展寬,均勻展寬可以通過測量雙光子的互關(guān)聯(lián)函數(shù)得到,這樣我們就可以得到量子點雙激子態(tài)的非均勻展寬。實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),和量子點激子態(tài)能級展寬相比,雙激子態(tài)的能級的非均勻展寬要小很多。4.實驗上驗證了基于態(tài)可分性的維度見證方案,可以判定任意的未知系統(tǒng)的維度,在給定系統(tǒng)維度的情況下,可以分辨未知系統(tǒng)是量子系統(tǒng)還是經(jīng)典系統(tǒng)。在量子力學(xué)中,系統(tǒng)的維度是一個非常重要的概念,建立理論模型時,我們通常會對物理系統(tǒng)的維度做一個最基本的假定。這就涉及到一個很根本的問題是否可以通過實驗結(jié)果來反推出一個未知系統(tǒng)的維度。這是一個和量子信息密切相關(guān)的問題,因為系統(tǒng)的維度可以看作是量子信息傳輸中的一種重要資源。高維系統(tǒng)可以用來實現(xiàn)更有效和更強大的方案。本文驗證了一類新型的維度見證方案,該方案適用于任意維度的未知的經(jīng)典和量子系統(tǒng)的維度見證,這種方案是利用量子態(tài)的可區(qū)分性來判定一個未知系統(tǒng)的維度。并且在給定系統(tǒng)維度的情況下,還能區(qū)分經(jīng)典系統(tǒng)和量子系統(tǒng)。另外,這種新方案還能區(qū)分實的量子比特(即量子比特對應(yīng)的量子態(tài)中不存在復(fù)數(shù),稱為實的qubit)和復(fù)的量子比特。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O471.1

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 雷達(dá);沈永濤;馮奕鈺;封偉;;量子點能帶寬調(diào)控研究新進展[J];中國科學(xué):技術(shù)科學(xué);2012年05期

2 宋凱;;量子點閃光的風(fēng)采[J];百科知識;2010年06期

3 袁曉利,施毅,楊紅官,卜惠明,吳軍,趙波,張榮,鄭有p，

本文編號：1287565