文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
量子点光学性质及其在量子信息中的应用的实验研究
姓名:唐建顺
申请学位级别:博士
专业:光学
指导教师:郭光灿;李传锋
2011-04
摘要
摘摘摘要要要
量子计算与量子通信,作为一门应用类的学科,是对当今普遍运用的冯·诺
依曼式经典信息架构的延伸。这种延伸的必要性在于,随着人们不断改进技术,
向速度和集成度的极限发起挑战,使得冯氏架构所依赖的物理载体已经逼近了
继续进步的天花板。量子信息的出现正是为了打破这种物理载体上的限制,同时
由于Shor算法的提出,让人们看到了量子并行算法的强大力量,使得人们更加对
量子信息寄予厚望。量子信息是一个逻辑上的概念,要实现它同样需要物理载
体,具有类原子性质的自组织量子点以及被认为是纯净系统的光子都是很好的
选择。我们这里就主要研究自组织量子点的光学性质以及用它来构造单光子源。
由于载流子在空间上三维受限,使得自组织量子点具有分立的能级和尖锐的谱
线。分立能级又使得它具有有限能级寿命,从而产生单光子。利用单光子我们可
以进行一些光子比特的量子信息实验。本文主要得到以下结论:
1,InAs/GaAs自组织量子点中存在着天然的激子极化子。
这是一种激子与纵向光学声子之间的电声强耦合现象。我们通过改变温度,
使得量子点能级发生移动,当量子点能级与纵向光学声子能量发生共振时,就
会产生类似dressed态的能级劈裂,这就是极化子能级,一个显著的标志是在温
度-能级曲线上出现一个anticrossing。
2,利用饱和法测量了量子点系综的能级寿命。
饱和法是一种利用量子点的饱和性质来测量量子点能级寿命的方法。它相
比于常用的参量上转换法具有操作简便的优点,相比于时间关联仪器(如皮秒时
间分析仪)又具有精度高的优点。并且我们还验证了即使探测光不完全饱和也可
以测得寿命,只不过测量误差会有所提高。
3,利用稀点法和掩膜法隔离出单个量子点,并获得单光子源。
从量子点系综中隔离出单个量子点是构造单光子源的必备条件之一。我们
在各种条件下比较了单量子点的信噪比,这些条件包括:不同的激发功率、光路
中小孔的不同大小、样品上不同的量子点密度以及不同的温度。最后在特定的参
数下获得了信噪比比较高的单量子点谱线。此外,我们还对样品进行了微纳米加
工,镀100 nm厚的金膜,然后打微米量级的通光孔,同样得到单量子点谱线,并
进行了验证单光子的Hanbury-Brown-Twiss测试。
4,进行了多次测量的时间域Bell不等式测试。
经典的物理实在论与量子力学之间的争论一直都是一个热门话题。Leggett-
Garg不等式作为其中的一个焦点问题,与Bell不等式有着诸多相似,它反映了量
I
摘要
子力学在时间域上非局域性,也被称作时间域的Bell不等式。本文中主要描述了
当测量时间点数目多于三个时,它的拓展方法以及对这些方法的评价标准,并利
用光子进行了实验验证。
5,对一个纯消相位演化的非马尔科夫性进行了量化测量。
非马尔科夫过程最近成了量子开放系统研究中的中心话题。我们实验测量
了一个纯消相位演化的非马尔科夫量。在这个演化中一个单量子点发出的光子
被送入了一根100米长的保偏光纤中。这种测量方法是用从环境回流入系统的总
信息量来描述的。信息被携带在光子的偏振态中。我们的结果对非马尔科夫过程
的理解以及对量子存储和量子通讯的进步都是有意义的。
6,实验上制备了包含系统-环境关联的初态,并在一个用于模拟演化的延迟
装置中见证了这些关联。
多体关联,它不仅仅包含量子纠缠,在量子计算和量子通讯中扮演了相当
重要的角色。特别的,决定了一个演化过程(非)马尔科夫性质的系统-环境关
联,在量子开放系统的研究中引起了很大兴趣。我们将量子点样品发出的光子送
入15米的保偏光纤来产生各种不同的系统-环境关联态,然后用观察迹距离增加
的方法来见证了这些关联。在我们的实验中,系统与环境之间的信息流动已经被
很清晰地描述了。这种关联见证的方案是基于系统-环境之间的信息流的,也可
以被用于其它的类似系统。
关关关键键键词词词:::自组织量子点,激子极化子,饱和法测寿命,单量子点,单光子源,多
次测量的时间域Bell不等式,非马尔科夫量,初态关联见证
II
ABSTRACT
ABSTRACT
putation and munication science, as a subject of appli-
cations, is the extension of Von Neumann architecture of classical