光學(xué)微腔量子電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、量子信息學(xué)是近年來受到廣泛關(guān)注的新興學(xué)科，它匯集了基礎(chǔ)物理學(xué)中量子力學(xué)的研究和信息技術(shù)的演進(jìn)發(fā)展，不僅開拓了經(jīng)典信息技術(shù)領(lǐng)域，也對(duì)量子力學(xué)的探索產(chǎn)生了重要的推動(dòng)作用。量子計(jì)算作為量子信息中的研究方向之一，能夠通過量子力學(xué)的基本原理解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法或難以解決的算法問題，將會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。為了能夠在物理體系上實(shí)現(xiàn)有效的量子態(tài)的操控，實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算，眾多的結(jié)構(gòu)方案被提出，其中基于腔量子電動(dòng)力學(xué)的思路，由于可以提供一個(gè)近乎理想的進(jìn)行量子態(tài)操控

2、的平臺(tái)，而且適合小型化和集成化，因而具有很好的發(fā)展前景?；谶@個(gè)動(dòng)因，本文以量子計(jì)算的物理實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，圍繞腔量子電動(dòng)力學(xué)，展開一系列相關(guān)的工作。
　　 現(xiàn)代微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展，以及材料制備手段的進(jìn)步，為腔量子電動(dòng)力學(xué)同時(shí)提供了所需要的兩方面要素。前者促生了具有微小尺度的介質(zhì)微腔，而其中基于回音壁模式的光學(xué)微腔因?yàn)槠錁O高的品質(zhì)因數(shù)和很小的模式體積，最具有吸引力。后者則導(dǎo)致了量子點(diǎn)這種人造原子體系的出現(xiàn)，其參數(shù)的可控性及優(yōu)良的物理特

3、征使之在應(yīng)用上廣受關(guān)注。為了以回音壁模式光學(xué)微腔和量子點(diǎn)構(gòu)成探索腔量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的平臺(tái)，我們分別在以上兩個(gè)分支方向開展研究，并結(jié)合兩者，探索了腔量子電動(dòng)力學(xué)的相關(guān)效應(yīng)。本文就主要介紹了在上述方面所取得的成果。
　　 在回音壁模式光學(xué)微腔方面，我們通過自行發(fā)展的一套相關(guān)設(shè)備和制備方法，制作出了基于硅基芯片的微盤型光學(xué)微腔，并且能通過后續(xù)的處理手段，形成具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的微芯圓環(huán)光學(xué)微腔，達(dá)到了很高的品質(zhì)因數(shù)和很小的模式體積。這兩種類

4、型的平面結(jié)構(gòu)的光學(xué)微腔，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的Purcell效應(yīng)，為腔量子電動(dòng)力學(xué)的進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究提供了高品質(zhì)的載體。
　　 另一方面，我們發(fā)現(xiàn)回音壁模式的光學(xué)微腔自身也存在著很多新穎的物理現(xiàn)象，由于其特別的性能，很多原先非常微弱的現(xiàn)象會(huì)在這種微腔中得到顯著增強(qiáng)，比如材料產(chǎn)生的Rayleigh散射。由此我們深入探索了散射導(dǎo)致的模式耦合現(xiàn)象，并且直接通過實(shí)驗(yàn)手段獲得了腔內(nèi)模式耦合強(qiáng)度。通過對(duì)微腔自身的研究，也加深了對(duì)微腔與量子點(diǎn)耦合體系的

5、認(rèn)識(shí)。
　　 單就量子點(diǎn)而言，它已經(jīng)包含了豐富的內(nèi)容值得加以研究，而為了實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)在腔量子電動(dòng)力學(xué)中的應(yīng)用，單個(gè)量子點(diǎn)的發(fā)光過程更值得關(guān)注。因此，在我們的工作中，分別對(duì)量子點(diǎn)的單光子發(fā)射、量子點(diǎn)的熒光衰減過程、量子點(diǎn)熒光的某些特殊效應(yīng)、以及用以直接調(diào)制量子點(diǎn)發(fā)光過程的方法，進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。獲得的結(jié)果對(duì)于進(jìn)一步在我們的實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用量子點(diǎn)提供了參考。
　　 我們將回音壁模式光學(xué)微腔和量子點(diǎn)相結(jié)合，構(gòu)成了研究二能級(jí)結(jié)構(gòu)與光

6、場(chǎng)相互耦合的體系。在實(shí)驗(yàn)上觀察到微腔對(duì)于量子點(diǎn)發(fā)光可以產(chǎn)生直接的影響，通過Purcell效應(yīng)，能夠?qū)е铝孔狱c(diǎn)的熒光光譜受到明顯調(diào)制。同時(shí)我們借助近場(chǎng)耦合器件，還實(shí)現(xiàn)了微腔對(duì)量子點(diǎn)的可控耦合，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)也為實(shí)現(xiàn)微腔對(duì)單個(gè)量子點(diǎn)的可控的Purcell效應(yīng)創(chuàng)造了條件。
　　 文中所介紹的我們所開展的實(shí)驗(yàn)工作，已經(jīng)證明回音壁模式光學(xué)微腔和量子點(diǎn)耦合的體系在腔量子電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)中具有發(fā)展?jié)摿?，他們?dú)特的性質(zhì)既可以單獨(dú)發(fā)展，用于相關(guān)工程