基于纳米线异质结构的固态量子光源研究

Quantum information processing and quantum optical communication are the inevitable development trend of information photonics. The realization of high efficient，wideband, small-scale and integratable quantum light sources is one of the key urgent problems to be solved. Based on the above application requirements and problems, this project will deeply study the generation and control mechanism of quantum light sources based on the nanowire heterostructure quantum dots, explore the bond energy and dynamic features of excitons and biexcitons of quantum dots embedded in nanowires using all-quantum theory, investigate the coupling interaction between complex excitons and optical field, analyze the physical mechanism and influential factors of the polarization control of single-photon and the generation of two-photon entanglement, solve the output efficiency problem of quantum light sources by optimizing nanowire structures, and provide theoretical guidance and experimental supports for the design and preparation of quantum optical information processing devices based on monomode linear polarized single -photon source and two-photon entanglement source. The theoretical modeling, numerical simulation, parameters optimization and experimental validation are combined to study the efficient production and collection of quantum light source. The anticipated achievements of the project have a great significance on the preparation, control and experimental validation of the quantum light sources and realization of the requirements of quantum information processing and quantum optical communication.

量子光通信和量子信息处理是信息光子学发展的必然趋势，其中，实现高效、宽带、小尺度和易集成的量子光源是迫切需要解决的关键问题。根据以上应用需求和关键问题，本项目将开展基于纳米线-量子点异质结构的量子光源产生和控制机理的研究，基于全量子理论，深入探索纳米线中量子点激子、双激子的结合能和动力学特性，研究复杂激子与光场之间的耦合相互作用，研究单光子偏振控制、双光子纠缠产生的物理机制和影响因素，通过优化设计纳米线结构，解决量子光源的输出效率问题，为基于单模线偏振单光子源和双光子纠缠源的量子光信息处理关键器件的设计和制备提供理论指导和实验支撑。通过理论建模、数值仿真、参数优化和实验检测相结合的方法，研究量子光源的高效光发射和光收集。课题预期成果对量子光源的制备、调控和实验验证，以及解决量子信息处理和量子光通信的需求，具有十分重要的意义。

基于纳米材料的可集成固态量子光源，在量子光通信和量子信息处理中扮演重要的角色，具有广泛的应用前景。本项目围绕量子光源的物理机理、量子点/纳米线结构和光电特性、实验制备和量子/光子器件设计等内容展开，具体研究内容和成果如下：.1）基于腔量子电动力学，分析了复杂激子与光场之间的相互作用，给出了量子光源中产生单光子和双光子的物理机制、限制因素和优化条件；研究了多种耦合系统中单光子的产生机制与发射特性，包括多模微腔、耦合量子点和微腔阵列等体系；提出了双泵浦情况下，量子点-双模微腔耦合系统内量子干涉相消抑制双光子发射的物理机理，实现了极强光子亚泊松分布；通过调节双泵浦和相位，提出了可控单光子/双光子源；研究了量子点与局域表面等离子体相互作用，理论实现了单光子发射。.2）采用P-K方法计算纳米线轴向异质结构内混合位错引入的应变弛豫，确定了位错稳定位置，并基于能量平衡判据预测了无位错生长的临界直径；采用PLD结合水热方法，实验制备了垂直于衬底的ZnO纳米线阵列；采用一步水热方法，制备了Te纳米线和CdTe纳米线。.3）对刻蚀衬底上复杂晶面量子点进行了建模；考虑组分分布、应变、压电和自旋轨道耦合等因素，通过求解对应的电子和重空穴薛定谔方程，研究了无盖层坑内GeSi/Si和InAs/GaAs量子点的电子结构；系统研究了坑内量子点应变弛豫，拟合出了描述应变驰豫的完整表达式，并基于能量平衡判据，预测了量子点稳定的生长位置。.4）提出了两种少光子层次的全光逻辑门。在量子点-双模微腔耦合系统中，基于多路径量子干涉相消，实现了OR和XOR全光逻辑。将此耦合系统串联，实现了基于光子偏振态的AND和OR全光逻辑。.项目执行期内，上述相关研究，取得了一批原创研究成果，发表高水平SCI 期刊论文42篇，参加国际会议9次，授权国家发明专利1项。本项目的研究成果对量子通信中的量子光源、量子计算中的少光子逻辑器件等方面实用化，具有重要推动作用。