量子点光学性质及其在量子信息中的应用的实验研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 前言
• 第2章 量子点简介
• 2.1 量子点的分类
• 2.1.1 化学溶胶量子点
• 2.1.2 电极二维电子气量子点
• 2.1.3 量子阱表面波动量子点
• 2.1.4 自组织量子点
• 2.2 几种常用的能级结构和选择定则
• 2.2.1 半导体理论简介
• 2.2.2 选择定则
• 2.2.3 自组织量子点单激子能级
• 2.2.4 带电激子trion
• 2.2.5 横向磁场下的trion能级
• 第3章 量子点中的极化子现象
• 3.1 弱耦合条件下的电声子相互作用
• 3.2 强耦合条件下的电声子Rabi振荡
• 3.3 电子（空穴）极化子
• 3.4 激子极化子
• 3.4.1 激子极化子的数值模拟
• 3.4.2 磁致激子极化子
• 3.4.3 自然存在的激子极化子
• 第4章 饱和法测量子点的能级寿命
• 4.1 自发参量上转换法
• 4.2 皮秒时间分析仪法（PTA）
• 4.3 饱和法
• 第5章 单量子点及单光子源
• 5.1 单量子点的获得
• 5.1.1 稀点样品直接观测单量子点光谱
• 5.1.2 通过刻蚀平台获得单量子点
• 5.1.3 通过镀掩膜打孔获得单量子点
• 5.2 单光子源
• 5.2.1 光子的统计性质
• 5.2.2 单光子源的应用
• 5.2.3 自组织量子点单光子源
• 第6章 多次测量的时间域Bell不等式
• 6.1 三次测量的LG不等式
• 6.2 多次测量的LG不等式的拓展方式
• 6.3 如何评价这些拓展方法
• 第7章 非马尔科夫性质的量化测量
• 7.1 马尔科夫过程
• 7.2 非马尔科夫过程
• 7.3 非马尔科夫性质的量化描述
• 7.3.1 利用与Lindblad方程的偏离来定义
• 7.3.2 利用映射算符的可分性来定义
• 7.3.3 利用信息流动来定义1–迹距离表征信息
• 7.3.4 利用信息流动来定义2–纠缠度表征信息
• 7.4 实验测量一个纯消相位演化的非马尔科夫量
• 7.5 关于这个实验的讨论
• 7.6 详细的理论推演
• 第8章 初态关联的见证
• 第9章 总结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文