文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
回音壁模式微腔量子电动力学的实验研究
姓名:董春华
申请学位级别:博士
专业:光学
指导教师:@
2011-03
摘要
摘要
随着人类社会的日益发展,对信息的传播和处理提出了更高的要求,而传统
的计算机已经不再满足,此时,新兴的量子信息学受到越来越大的关注。量子计
算作为量子信息中的研究之一,能够解决一些经典计算机无法解决的问题,具有
重大的现实意义。过去的几十年,不断有各种物理方案被提出来用于实现量子计
算,其中基于腔量子电动力学的方案被认为是最有希望的方案之一。它可以提供
一个理想的平台进行量子态的调控,且随着微加工技术的发展,可往集成小型化
方向发展,因而具有广阔的前景。本文以实现量子计算为目标,围绕微腔量子电
动力学,分别对微腔以及量子点的单粒子体系展开一系列的工作,并结合两者,
初步开展了腔量子电动力学的实验研究。具体有以下几个主要内容:
该体系包括:a)可以制备出尺寸(10~100微米)可控的微球腔,品质因子(Q)
高达 108 以上;b)通过氢氧焰拉制的光纤锥耦合波导,最小直径可小于 1 微米,
可以实现对各种微腔的高效耦合,其耦合效率达 99%以上;c)以光纤锥耦合作为
一种新的探测手段,可以实现与微球腔、微盘腔、微芯圆环腔甚至多边形微腔的
各种应用。
基于良好的实验制备和优秀的耦合技术,我们分别在微腔以及光纤锥的光学
输运性质,后期调节以及其它应用方面开展了系统的研究。我们与国际小组分
别独立观察并解释了高品质因子微球腔中的振铃现象;通过光纤锥对微腔中模
式的调谐,实现了单个微腔中的类光学诱导透明;在微腔的表面涂覆上增益介
质,实现了低阈值微腔激光器;我们通过后期的刻蚀和镀膜方式对微腔的模式
进行了有效调制,这些调制方式将会在传感以及微腔量子电动力学的研究中得
到广泛应用。此外,国际上首次通过对普通的微球腔进行CO2激光的短脉冲处
理,得到了保持高品质因子的变形微球腔,具有很好的方向性发射,在此基础
上,我们对变形微球腔进行了更多性质的研究。进一步,我们还扩宽了光纤锥
的应用,首次实现光纤锥对金属纳米线的有效耦合,最高的耦合效率达58%,
远远高于通过自由空间光斑散射所激发的表面等离子体模式。这些方面的实验
研究,奠定了我们利用微腔及其它微纳光学结构实现量子信息处理的良好基础。
摘要
为了实现物质与微腔的强耦合相互作用,单个粒子体系的发光过程就很值得
关注。因此,我们完成了检测单光子光源的实验体系,分别对量子点CdSe/ZnS 以
及金刚石中的NV色心的单光子发射进行了相应的实验研究,得到有效的单光子
光源。在此基础上,将量子点分别置于二氧化硅薄膜和金膜表面,较深入的研究
了不同薄膜介质对量子点的荧光衰减、荧光闪烁等产生的效应,实验发现金属表
面等离子体可以提高量子点发光效率,有效压抑闪烁现象,获得的结果对在实验
中实现高效率以及高质量的单光子光源很有参考意义。我们还通过单光子的检测
装置,确定在微腔表面成功黏附了单量子点或单NV色心,这一结果对于我们下
一步的实验中实现两者的强耦合提供了参考。
将量子点或含有NV色心的纳米颗粒黏附到微腔上,我们能够观察到光学腔
模对发光调制的现象,即Purcell效应,这只是两者的弱耦合。为了满足两者的强
耦合条件,需要在低温系统下进行实验,以降低量子点或NV色心的非均匀加宽。
因此,我们将光纤锥与微腔的耦合体系转移到低温腔内,初步完成了低温下微腔
对量子点发光过程调制的实验,使我们对于微腔单光子源以及基于原子与腔强耦
合的量子逻辑门研究向前推进了一步。
关键词:
微腔,回音壁模式,单量子点,腔量子电动力学,低阈值微腔激光器,变形腔方
向性发射。
Abstract
Abstract
With the development of human society, the requirement of the transition and
processing of information is ing more and more prominent. At this time, the
quantum information processing investigates fascinating issues at the foundations of
computer science and quantum mechanics. putation, whic