半导体自组织量子点的光学性质和其在量子信息中的应用

摘要

半导体自组织量子点由于能级结构和单个原子的类似性，有很多和原子相近的光学性质和量子效应。而且由于它的稳定性和与现代半导体器件设备的兼容，使得它的制备和操作变得相对简单。因而半导体自组织量子点成为一个在量子信息中非常有应用前景的固体体系。研究量子点的光学性质，一方面可以探索量子点内部能级结构和载流子弛豫的信息，从而了解如何把量子点构造成为量子计算中的单个量子比特。另一方面，利用量子点发出的单光子或纠缠光子对，可以用来传输单个比特的量子信息。因此本人将半导体自组织量子点的光学性质和其在量子信息中的应用作为博士论文的研究课题。同时还涉及了半导体自组织量子点一些生长知识和固体物理性质。本论文所取得的成果主要有：
　　 1.从实验上发现了量子点系综中的声子-激子强耦合现象，并且给出了进一步的实验验证和理论解释。我们发现在某些特定的温度下，量子点系综的载流子驰豫会和声子相互结合起来，产生一个新的弛豫窗口，从荧光谱上看会产生一个低于原先s壳层发光峰一个声子能量的新发光峰。并且两个峰之间的相对强度会随着温度改变，直到最后，几乎所有的载流子都通过这个新窗口弛豫。我们提出了一种全新测量量子点能级寿命的方法，利用这种方法从能级寿命的角度验证了声子-激子之间的强耦合的存在。
　　 2.我们从量子点的单光子性质出发，研究了其作为单光子源的可行性，并提出了利用量子点单光子源实现量子随机行走算法的实验方案。单光子由于可携带相干的量子信息，并在空间中能基本无消相干的进行传输，成为了传输和构造量子态的重要工具。由于激光激发量子点发射单光子在效率和时间可控性上都非常优秀，我们提出用其来作为量子随机行走中的行走比特载体，实现了可扩展的量子随机行走算法。
　　 3.利用量子点双激子级联发射的路径相干性和精细结构的存在，我们提出了产生多维纠缠光子对的实验方案。这个方案把在其他利用量子点产生纠缠的方案中致命的精细结构劈裂加以应用，除了偏振维度外，让光子在能量维度也纠缠起来，从而实现了在量子信息中性能更强大的多维纠缠态。
　　 4.实验上验证了载流子弛豫过程中俄歇效应的存在，并考量了其对量子点发光谱的影响。我们在实验上观测了不同密度量子点系综发光峰随激发功率的移动过程，证明了在俄歇效应作用下，不同密度的量子点样品会产生不同的发光峰移动趋势。并给出了完美的理论模型解释。
　　 5.研究了量子点系综中的轨道角动量信息，从而为在单量子点实现轨道角动量纠缠提供了必要的实验探索。量子点发出的光子模式并不是我们之前所设想的为单一的高斯光，而是高斯模式和高阶LG模的叠加。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章量子计算及其物理实现

1.1量子计算机的概念

1.1.1经典计算的瓶颈

1.1.2量子计算机和经典计算机的差别

1.1.3量子计算机的实现条件

1.1.4量子算法优越性的真实体现

1.1.5量子计算的物理实现

1.2量子点中的单比特操作

1.2.1量子比特球

第2章自组织半导体量子点的生长和基本光学性质

2.1量子点的分类

2.1.1化学溶胶量子点

2.1.2自组织量子点

2.1.3二维电子气量子点

2.2 自组织量子点

2.2.1 量子点的自组织生长

2.2.2 自组织量子点的半导体理论

2.2.3 自组织量子点中的基本物理效应

第3章量子点的荧光谱研究和单光子特性

3.1量子点的荧光谱测量

3.1.1 测量量子点光谱的实验装置

3.1.2量子点光谱与激发功率的关系

3.1.3量子点光谱与温度的关系

3.1.4单量子点的荧光测量

3.2量子点的单光子源特性

3.2.1单光子源的价值

3.2.2单光子源的定义

3.2.3二阶相干度的检测--HBT实验

3.2.4单光子源的侯选器件

3.3量子点的单光子发光和其应用

3.3.1量子点的单光子发光

3.3.2单光子源的应用--量子随机行走实验

第4章量子点中的载流子弛豫

4.1量子点的载流子弛豫主要机制

4.2量子点的声激子耦合

4.2.1 电声子强耦合的光谱研究

4.2.2电声子强耦合作用下的rabi振荡

4.3测量量子点激子寿命

4.3.1测量寿命的实验装置

4.3.2声激子耦合造成的寿命延长

4.4量子点弛豫过程中载流子的迁移

第5章利用量子点产生纠缠光子对

5.1单量子点双光子级联纠缠

5.1.1纠缠及其应用

5.1.2量子点中双光子级联

5.1.3如何从量子点中产生纠缠

5.2单量子点双光子多维纠缠

5.3量子点中轨道角动量纠缠

5.3.1 光子轨道角动量的定义

5.3.2 LG模式的测量

5.3.3参量光和原子系综里的轨道角动量纠缠

5.3.4量子点里的轨道角动量关联

第6章结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文