高品质量子点单光子源和自旋光子界面

摘要

本论文主要讨论了基于半导体量子点的确定性单光子源，拉曼单光子源，自旋-光子纠缠等相关的研究课题。主要研究成果如下:
　　1.在国际上首次实现了基于量子点脉冲共振荧光的确定性高品质单光子源，实验产生的单光子源信噪比超过300∶1，二阶关联函数小于1.5％，光子全同性优于97％，打破了保持了10年的光子全同性最高只能达到70％的记录，解决了单光子确定性和高不可分辨性这两个基本问题。这是我国在量子点光学量子调控领域发表在《自然》系列期刊上第一篇论文。
　　2.在实验上首次产生了可以超越表面编码容错界限的单光子源，在实验中首次验证了量子点在正啁啾脉冲激发下单光子的确定性以及稳定性，产生的单光子性优于99％，双光子干涉对比度优于99.5％。
　　3.在国际上首次验证了基于半导体量子点的拉曼单光子的高度全同性，并实现了两个独立量子点发射光子的高保真度Hong-Ou-Mandel干涉。工作中实现了两个相距1.5m的量子点的拉曼光子干涉，创造了国际最高水平的87％的干涉对比度。
　　4.在实验上首次检验了量子点固态介观系统中的量子非局域性。实验中利用相位电光调制技术成功突破光子进动的限制，实现了对量子点自旋与光子的纠缠探测，并检验了量子点自旋、光子极化、光子频率纠缠GHZ态的非定域性。
　　5.首次在实验中观察到类原子系统中由于自发辐射抑制产生的量子相干和谱线擦除现象。该研究工作不仅实现了在半导体量子点系统中对量子相干等基本理论的检验，同时可以在实验上实现超窄线宽荧光光子的发射。

目录

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摘要

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第一章 绪论

1．1 单光子源

1．1．1 传统光源与单光子源

1．1．2 单光子源的评判标准

1．1．3 单光源的应用

1．1．4 实现单光子源的物理系统

1．2 自旋

1．3 基于半导体自组装量子点的量子信息处理

1．4 论文的结构

第二章 自组装半导体量子点

2．1 量子点

2．2 自组装半导体量子点

2．2．1 自组装半导体量子点的生长

2．2．2 量子点的能级结构与光学跃迁

2．3 非共振激发量子点

2．3．1 带上激发

2．3．2 P壳层激发

2．4 实验装置与方法

2．4．1 连续流低温恒温共聚焦系统的组成

2．4．2 连续流低温恒温共聚焦系统量子点成像与荧光探测

2．4．3 Attodry1000无液氦共聚焦显微系统

2．4．4 实验用光谱仪系统

2．4．5 HBT装置与荧光寿命测量装置

2．5 总结

第三章 基于半导体量子点产生确定性单光子源

3．1 量子点与光场相互作用理论

3．1．1 两能级原子与外部光场相互作用

3．1．2 量子点共振荧光

3．1．3 缀饰态能级与Mollow triplet

3．2 实验连续光激发产生量子点共振荧光

3．2．1 实验用量子点样品

3．2．2 实验装置

3．2．3 带上激发寻找量子点

3．2．4 P壳层激发量子点

3．2．5 连续光产生量子点共振荧光

3．2．6 量子点共振荧光Mollow triplet与二次相关函数

3．2．7 量子点带上激发、P壳层激发与连续共振激发荧光光谱比较

3．2．8 量子点荧光寿命T1、退相干时间T2和失相时间T*2

3．3 量子点脉冲共振荧光

3．3．1 两能级原子拉比振荡

3．3．2 实验产生脉冲光量子点共振荧光

3．3．3 脉冲光量子点共振荧光拉比振荡与确定性单光子发射

3．3．4 脉冲光量子点共振荧光二阶关联函数g2(0)

3．3．5 脉冲光量子点共振荧光光谱精细结构与光谱晃动

3．4 脉冲光量子点共振荧光双光子干涉实验

3．4．1 双光子干涉原理

3．4．2 脉冲共振荧光双光子干涉装置

3．4．3 脉冲共振荧光双光子干涉结果

3．5 脉冲共振荧光双光子实现量子可控制非门

3．5．1 量子可控非门原理

3．5．2 脉冲共振荧光双光子控制非门

3．5．3 测量结果

3．6 总结与展望

第四章 基于快速绝热通道产生确定性稳定单光子源

4．1 啁啾脉冲实现快速绝热通道

4．1．1 啁啾脉冲

4．1．2 啁啾脉冲与二能级原子相互作用

4．2 实验产生稳定的单光子源

4．2．1 在量子点中实现快速绝热通道

4．2．2 实验检验光子计数随功率涨落的变化

4．3 啁啾脉冲荧光光谱的相干性与单光子品质

4．3．1 啁啾脉冲荧光光谱的相干性

4．3．2 啁啾脉冲荧光光子的单光子性与不可分辨性

4．4 总结与展望

第五章 不可分辨自发拉曼单光子源

5．1 Voigt磁场中的量子点

5．2 超快脉冲实现自旋旋转

5．3 实验Voigt磁场下的量子点样品与X-激子

5．3．1 量子点样品与Voigt配置

5．3．2 X-激子

5．4 连续光产生拉曼荧光

5．4．1 实验原理与装置

5．4．2 实验结果

5．5 确定性产生共振拉曼荧光

5．5．1 脉冲自发拉曼荧光产生原理

5．5．2 实验激发脉冲序列的产生与时间同步

5．5．3 实验观察量子点自旋旋转

5．5．4 100ps脉冲自发拉曼荧光拉比振荡

5．5．5 脉冲自发拉曼荧光光谱

5．6 两个量子点的双光子干涉

5．6．1 0磁场下的量子点C2

5．6．2 Faraday磁场下的量子点C2

5．6．3 实验装置与结果

5．7 两光子纠缠制备与测量

5．8 总结与展望

第六章 基于半导体量子点产生光子自旋纠缠与CHZ纠缠

6．1 实验原理

6．1．1 量子点带电激子光子与电子纠缠产生

6．1．2 基于量子点光子频率与电子自旋纠缠产生GHZ态

6．1．3 相位EOM测量频率叠加态

6．2 1．4T磁场下的量子点能级与自旋旋转

6．2．1 1．4T磁场下的量子点

6．2．2 1．4T磁场下量子点自旋旋转

6．3 实验观察量子点内电子自旋与光子纠缠

6．3．1 脉冲产生与相位锁定装置

6．3．2 400ps脉冲拉比旋转

6．3．3 量子点自旋Ramsey干涉

6．3．4 量子点电子自旋与光子频率纠缠

6．4 量子点中GHZ态产生与探测

6．4．1 GHZ产生

6．4．2 GHZ检验量子非定域性

6．5 总结与展望

第七章 基于半导体量子点双缀饰态实现自发辐射抑制和谱线消除

7．1 双缀饰态能级与荧光谱线擦除

7．1．1 双缀饰态能级

7．1．2 实验装置与量子点

7．1．3 量子点光谱与相干性

7．1．4 实验观察双缀饰态荧光光谱

7．2 亚谐波共振条件下的谱线擦除

7．3 Aulter-Townes光谱

7．4 总结与展望

第八章 结论和展望

参考文献

致谢

在读博士期间取得的研究成果