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全固态量子信息处理关键器件的物理原理及技术实现论文.doc

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全固态量子信息处理关键器件的物理原理及技术实现论文.doc

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全固态量子信息处理关键器件的物理原理及技术实现论文.doc

文档介绍

文档介绍:项目名称:
全固态量子信息处理关键器件的物理原理及技术实现
首席科学家:
肖敏南京大学
起止年限:

依托部门:
教育部
一、关键科学问题及研究内容
本项目将围绕重大科学研究计划“量子调控”专项中的“全固态量子信息处理关键器件的物理原理及技术实现”的指南内容,瞄准发展全固态量子信息处理器件中的关键科学和技术问题,掌握核心技术,从物理原理及技术实现上探讨研制全固态量子信息处理芯片的可行性。
本项目拟解决的关键科学问题包括:
受限量子体系的相干光学和单光子发射:
(1)探索单个半导体自组织量子点的单激子、双激子和带电激子的新奇相干光学特性,实现两个以上单个自组织量子点的光学耦合,研制基于自组织量子点的两个以上量子比特逻辑运算单元;(2)发展基于单个半导体胶体量子点的可见光单光子光源并评估其相干光学特性,研究单根半导体单壁碳纳米管的通讯波段单光子发射特性,探索利用多激子产生过程在单个胶体量子点与单根单壁碳纳米管中发射纠缠光子序列的可能性;(3)研究除半导体自组织量子点、胶体量子点和单壁碳纳米管外其它受限量子体系如金刚石中氮-空穴缺陷和生物有机量子点的单光子发射特性;(4)研究利用高品质光学微腔调控受限量子体系的相干光学特性与单光子发射,通过多个微腔耦合实现长距离单个受限量子体系之间的相互作用与量子信息传递。
光学超晶格新型纠缠光源及集成化在量子信息处理中的应用:
(1)建立准相位匹配尤其是多重准相位匹配下产生纠缠光子的系统理论,包括不同畴结构对纠缠光子模式的调控研究,研究双光子的时间(频谱)关联以及空间关联的远场和近场特性,建立基于光学超晶格的量子干涉、量子成像、量子光刻、量子全息的理论;(2)研究铁电畴的多功能效应,并应用到集成化量子信息处理,例如基于光子空间模式自由度的量子计算等。研究铁电畴构型和空间分布对量子态相干特性影响,解决不同畴结构集成时的相位控制和匹配问题;(3)研制光学超晶格光波导,研究基于光学超晶格光子芯片中的关键物理问题,发展新的光学超晶格光子芯片的制备技术,解决光量子态产生效率、传输损耗和稳定性等关键问题。在单光子水平研究电光、声光等效应对相位、偏振的控制能力,实现对量子态的即时调控,解决功能集成时的关键问题,如相干性控制、集成度提高和功能兼容等;(4)探索其他适合量子集成的光学芯片如光子晶体和表面等离激元材料等,研究这些芯片上光子的分束、相位控制和量子相干特性的检测;(5)搭建探测光子时间和空间模式的设备和测试平台,搭建波导质量检测和耦合输出(入)系统,制成若干具有量子信息处理功能的原型器件。
基于纳米线光波导的的新型超小型化量子信息器件研制:
(1)基于纳米线光波导的新型超小型化基本量子信息处理器件(亚波长尺度谐振腔、光栅、槽型高双折射波导等)的设计方法、制备封装工艺和模块集成,尤其是一维表面起伏微纳光栅、二维单环和三维多环谐振腔的相关理论和工艺;(2)实现超小尺寸、高效率和高亮度的纠缠光源和单光子源,尤其是通过修正普通圆对称微纳光纤得到极端色散和非线性特性,从而实现高集成度的全光纤纠缠光源和量子信息的转移、传输和调控;(3)利用液晶等材料和外部电场声场等手段实现量子信息处理器件的可调谐化,解决可调谐器件的封装集成工艺;(4)具有大消逝场、环间超强耦合效应的二维单环和三维多环谐振腔的非线性耦合以及类电磁感应透明和量子电动力学效应的机理模型和实验演示;(5)金属-介电混合纳米线光波导器件中表面等离激元与光子的转换对于光子纠缠特性的影响,以及在量子信息处理器件上的新应用。
高品质因子微腔及固态类EIT系统在量子信息处理中的应用:
(1)解决关键微纳加工技术,包括制备高品质因子硅基微腔和微腔阵列的光刻、刻蚀及后处理工艺,制备晶体光学微腔的切割、加工及抛光工艺,制备单模非线性光波导和变周期布拉格光栅所需的飞秒激光直写工艺等;(2)研究多微腔系统中的耦合效应,通过微腔参数设计、电光效应、光力效应等人工调控微腔谐振频率的失谐量,制备超窄线宽的类电磁感应透明光学微腔系统,实现纳秒量级以上的光存储;(3)研究微腔及其耦合系统中的非线性增强效应,研究非线性布拉格光栅光波导中的色散控制、光孤子和慢光效应,在此基础上研制应用于量子信息处理中的集成器件,如量子中继器,宽带光缓存器等;(4)研究稀土离子掺杂的晶体中的电磁感应透明,并在此基础上实现全光控制的量子信息器件
;(5)优化光学微腔设计,在芯片上实现低阈值量子纠缠态。
主要研究内容:
(1)受限量子体系的相干光学和单光子发射;(2)光学超晶格新型纠缠光源及其集成化在量子信息处理中的应用;(3)基于纳米线光波导的量子信息器件;(4)高品质因子微腔及固态类EIT系统在量子信息处理中的应用。
具体研究内容:

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