固態(tài)光學腔量子電動力學-原理與實現(xiàn).pdf

1、量子計算研究量子疊加性原理和量子糾纏，是一門對量子信息進行制備，傳輸，存儲，操控和讀取的交叉學科。它可以完成經(jīng)典信息操作無法完成或者很難完成的任務。其潛在的巨大應用引發(fā)了過去十幾年來對量子計算的理論和實驗研究?，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，線性光學，離子阱，量子點，超導線路中的約瑟夫森結，腔量子電動力學等。每種方案各有優(yōu)缺點，很難說哪種體系更有前途。但就目前而言，由于可以提供一個獲得糾纏態(tài)和量子信息操控的近乎理想

2、的平臺，腔量子電動力學被認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機。 本論文致力于研究基于腔量子電動力學的量子信息，包括理論和實驗兩大部分。第一部分理論研究了腔量子電動力學量子信息的幾個主要方面。 第一章簡要的介紹了量子信息科學和腔量子電動力學的背景知識。為了對量子信息科學有一個比較基本的理解，這里我們主要講述了量子比特，糾纏，邏輯門操作等幾個重要的概念。為了對腔量子電動力學有個初步的了解，我們首先考慮原子

3、一光子的相互作用，這也是標準的Jaynes-Cummings模型，然后討論了強耦合，弱耦合的定義，最后綜述了當前可以進行腔量子電動力學研究的物理體系。 第二章的重點是腔內(nèi)原子態(tài)的制備和傳送。作為兩個典型的例子，我們首先介紹了如何制備光學腔內(nèi)N個囚禁原子的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腔內(nèi)原子態(tài)至另外一個遠距離腔內(nèi)的原子內(nèi)態(tài)上。 第三章聚焦于量子計算的腔量子

4、電動力學實現(xiàn)，這也是量子信息科學研究的核心課題之一。為此，我們提出了實現(xiàn)腔內(nèi)光子-光子，光子-原子之間非經(jīng)典邏輯門操作的幾個方案。特別的，為了克服F-P腔量子計算的可集成性困難，在一系列的工作中，我們直截了當?shù)慕ㄗh利用回音壁模式光學腔來構建硅芯片上的量子硬件。在當前的實驗技術水平下，該方案有很高的可行性，具有應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行回音壁光學腔的實驗研究。 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，線性光學計算中有著重要的應用。為了得到高效易于操控的單光子光源，我們提出了兩個方案，分別在微波和光波頻段實現(xiàn)單光子態(tài)的制備。 本論文的第二部分詳細介紹了回音壁模式光學腔實驗，這也是我們研究小組過去兩年在該領域的主要進展。 第五章首先簡要介紹了回音壁模式的基本理論和耦合機制。由于在微米尺度上極高的品質因子，回音壁模式光學腔是當今進行腔量子電動力學實驗研究最活躍的體系之一。本章中，我們討論了兩

6、種回音壁的光學腔，即微球和微盤。為了有效的激發(fā)腔內(nèi)的回音壁模式，我們使用光纖錐進行近場耦合，得到并能控制欠耦合，過耦合，臨界耦合。 第六章介紹了過去兩年我們在變形腔研究中最主要的實驗進展。變形腔研究是近幾年以來，光學腔研究的熱點之一。與美國俄勒岡大學Hailin wang小組合作，我們發(fā)展了一種全新的制備變形光學腔的技術。該技術簡單有效，得到的變形微球腔既支持高品質因子的回音壁模式，又有高度的方向性發(fā)射。根據(jù)該技術，我們可以實現(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，與美國加州理工學院Lan Yang博士合作，利用變形腔中的方向性發(fā)射和模式耦合機制，我們直接得到了回音壁模式的側向強度分布，與理論預測符合的很好。因為強度分布直接影響回音壁模式與外部的耦合強度，所以該結果對許多實際的應用有重要的意義，例如生物傳感，腔量子電動力學等。 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力學(coupledcavity QED)。研究了包括N