固態(tài)光學(xué)腔量子電動(dòng)力學(xué)-原理與實(shí)現(xiàn).pdf

1、量子計(jì)算研究量子疊加性原理和量子糾纏，是一門(mén)對(duì)量子信息進(jìn)行制備，傳輸，存儲(chǔ)，操控和讀取的交叉學(xué)科。它可以完成經(jīng)典信息操作無(wú)法完成或者很難完成的任務(wù)。其潛在的巨大應(yīng)用引發(fā)了過(guò)去十幾年來(lái)對(duì)量子計(jì)算的理論和實(shí)驗(yàn)研究?，F(xiàn)今，可以在不同的物理體系中操控量子信息，如核磁共振，線(xiàn)性光學(xué)，離子阱，量子點(diǎn)，超導(dǎo)線(xiàn)路中的約瑟夫森結(jié)，腔量子電動(dòng)力學(xué)等。每種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，很難說(shuō)哪種體系更有前途。但就目前而言，由于可以提供一個(gè)獲得糾纏態(tài)和量子信息操控的近乎理想

2、的平臺(tái)，腔量子電動(dòng)力學(xué)被認(rèn)為是最有前途的方案之一。這也是本博士論文的主要研究動(dòng)機(jī)。 本論文致力于研究基于腔量子電動(dòng)力學(xué)的量子信息，包括理論和實(shí)驗(yàn)兩大部分。第一部分理論研究了腔量子電動(dòng)力學(xué)量子信息的幾個(gè)主要方面。 第一章簡(jiǎn)要的介紹了量子信息科學(xué)和腔量子電動(dòng)力學(xué)的背景知識(shí)。為了對(duì)量子信息科學(xué)有一個(gè)比較基本的理解，這里我們主要講述了量子比特，糾纏，邏輯門(mén)操作等幾個(gè)重要的概念。為了對(duì)腔量子電動(dòng)力學(xué)有個(gè)初步的了解，我們首先考慮原子

3、一光子的相互作用，這也是標(biāo)準(zhǔn)的Jaynes-Cummings模型，然后討論了強(qiáng)耦合，弱耦合的定義，最后綜述了當(dāng)前可以進(jìn)行腔量子電動(dòng)力學(xué)研究的物理體系。 第二章的重點(diǎn)是腔內(nèi)原子態(tài)的制備和傳送。作為兩個(gè)典型的例子，我們首先介紹了如何制備光學(xué)腔內(nèi)N個(gè)囚禁原子的Dicke態(tài)。即使在腔耗散存在的情況下，該方案保真度和成功幾率均很高。然后描述了如何隱形傳送一個(gè)腔內(nèi)原子態(tài)至另外一個(gè)遠(yuǎn)距離腔內(nèi)的原子內(nèi)態(tài)上。 第三章聚焦于量子計(jì)算的腔量子

4、電動(dòng)力學(xué)實(shí)現(xiàn)，這也是量子信息科學(xué)研究的核心課題之一。為此，我們提出了實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)光子-光子，光子-原子之間非經(jīng)典邏輯門(mén)操作的幾個(gè)方案。特別的，為了克服F-P腔量子計(jì)算的可集成性困難，在一系列的工作中，我們直截了當(dāng)?shù)慕ㄗh利用回音壁模式光學(xué)腔來(lái)構(gòu)建硅芯片上的量子硬件。在當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平下，該方案有很高的可行性，具有應(yīng)用于大尺度的量子信息處理的潛力。這一系列的理論工作也促使我們兩年前決定進(jìn)行回音壁光學(xué)腔的實(shí)驗(yàn)研究。 第四章則介紹了單光子

5、光源。單光子光源在量子密鑰分配，線(xiàn)性光學(xué)計(jì)算中有著重要的應(yīng)用。為了得到高效易于操控的單光子光源，我們提出了兩個(gè)方案，分別在微波和光波頻段實(shí)現(xiàn)單光子態(tài)的制備。 本論文的第二部分詳細(xì)介紹了回音壁模式光學(xué)腔實(shí)驗(yàn)，這也是我們研究小組過(guò)去兩年在該領(lǐng)域的主要進(jìn)展。 第五章首先簡(jiǎn)要介紹了回音壁模式的基本理論和耦合機(jī)制。由于在微米尺度上極高的品質(zhì)因子，回音壁模式光學(xué)腔是當(dāng)今進(jìn)行腔量子電動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究最活躍的體系之一。本章中，我們討論了兩

6、種回音壁的光學(xué)腔，即微球和微盤(pán)。為了有效的激發(fā)腔內(nèi)的回音壁模式，我們使用光纖錐進(jìn)行近場(chǎng)耦合，得到并能控制欠耦合，過(guò)耦合，臨界耦合。 第六章介紹了過(guò)去兩年我們?cè)谧冃吻谎芯恐凶钪饕膶?shí)驗(yàn)進(jìn)展。變形腔研究是近幾年以來(lái)，光學(xué)腔研究的熱點(diǎn)之一。與美國(guó)俄勒岡大學(xué)Hailin wang小組合作，我們發(fā)展了一種全新的制備變形光學(xué)腔的技術(shù)。該技術(shù)簡(jiǎn)單有效，得到的變形微球腔既支持高品質(zhì)因子的回音壁模式，又有高度的方向性發(fā)射。根據(jù)該技術(shù)，我們可以實(shí)現(xiàn)

7、直接耦合輸入輸出的低閾值激光器，單光子光源等。此外，與美國(guó)加州理工學(xué)院Lan Yang博士合作，利用變形腔中的方向性發(fā)射和模式耦合機(jī)制，我們直接得到了回音壁模式的側(cè)向強(qiáng)度分布，與理論預(yù)測(cè)符合的很好。因?yàn)閺?qiáng)度分布直接影響回音壁模式與外部的耦合強(qiáng)度，所以該結(jié)果對(duì)許多實(shí)際的應(yīng)用有重要的意義，例如生物傳感，腔量子電動(dòng)力學(xué)等。 第七章描述的則是我們最近的工作，可以命名為耦合腔量子電動(dòng)力學(xué)(coupledcavity QED)。研究了包括N