基于金属微纳结构的量子通信器件研究

The practical application of the quantum communication network is an important goal of quantum information, and the single photon devices, as a key technology part of the quantum communication network, have great significance to be realized physically. To meet the demand of development and practical application of quantum information, this project intents to study the application of new micro-nano structure devices in the quantum information with the combination of the theories and experiment. In the theoretical part, we study the single photon emission property of the surface plasmon resonance (SPR) generated by different kinds of metal micro-nano structure and the quantum mechanism of the effective mutual transformation of single photon-SPR; we explore new methods to realize the control of quantum states based on SPR, study the properties of evolution and transmission of quantum states in SPR. In the experimental part, we develop a new kind of single photon source which has high Purcell factor, high collection efficiency and narrow bandwidth emitted from nano-antenna based on SPR effect; we design a feasible scheme to improve the quantum efficiency; we tests on this new type quantum device experimentally about its parameters such as the second order degree of coherence, single photon emission rate; we propose a kind of light quantum structure that can increase the light absorption efficiency and improve the device structure to increase the detection rate. This work will provide a theoretical and practical exploration for the development of the miniaturization of the single photon source and quantum communication network.

量子通信网络的实用化是量子信息学的重要目标，单光子器件作为量子通信网络的关键技术部分，其物理实现具有重要的意义，本项目从量子信息学的发展及其实用化的需求出发，采用理论与实验密切结合的方式，以研究新型微纳结构器件在量子信息中的应用为目标，理论研究不同金属微纳结构产生表面等离子腔共振的单光子发射特性，单光子-表面等离激元相互有效转化的量子机理，探索基于表面等离激元特性实现量子态操控的新方法，研究量子态在表面等离激元效应中演化、传输的特性，实验上基于表面等离激元共振效应，利用纳米天线结构发射单光子，研制一种具有高珀塞尔因子、高品质因子、带宽窄的单光子源;设计提高量子效率的可行性方案；并对此新型量子器件的二阶相干度、单光子发射率等指标进行实验测试，在此基础上研制出一种能提高光吸收效率的光量子结构，并优化设备结构提高探测效率，这将为单光子源的小型化和量子通信的网络化发展提供一个理论及实践的探索。

基于表面等离共振（surface plasmon resonance,简称SPR）效应设计的纳米金属结构能针对特殊波段的光产生明显优于其它波段光的近场增强效应，利用表面等离激元的高度局域性和亚波长特性，可在纳米尺度实现对光场的调节与操纵，从而研制出新型的量子通信器件，实现传统器件难以实现的功能。利用物理的Fano共振和Purcell效应，设计新型的金属微纳结构，实现对光场的强度和方向性操控。光子有利于量子信息传播,本项目正是基于这样的考虑，提出基于金属微纳结构量子通信器件的研究方案，利用MIM波导中的缺陷来设计表面等离子体微纳器件，并利用FEM算法研究了金属条尺寸的改变对其透射特性的影响；基于EIT-like效应的分束器设计，利用边耦合腔与环形腔的耦合实现的EIT-like效应，提出了一种可调谐的等离子体分束器；利用局部表面等离子体激元模式激发的量子点设计微纳器件，基于量子点的双光子激发荧光，我们测绘了复合纳米线的等离激元模式，并且成像了可以被认为是复合纳米线的近场分布的FP腔模式，这项工作展示了一种重要方法去控制和优化光与物质相互作用，并且以一种简单的方法来成像等离子体激元谐振腔模式，特别是，这种等离子体激元技术扩展了信息光学处理（如逻辑门）和近场成像的概念；理论分析了单结构和多结构WSi纳米天线及相同条件下NbN纳米天线的特性，分析了硅化钨超导纳米单光子探测器和氮化铌纳米单光子探测器的性能，得出多结构的WSi吸收能力的确优于NbN的吸收能力,设计出一种低填充因子、偏振敏感的超导纳米线单光子探测器（SNSPD），可以同时获得较高的吸收效率和计数率；项目探索在表面等离激元效应中光子与量子电子系统相互作用的物理机理，研究量子态在表面等离激元效应中演化、传输的特性，寻找量子态有效保持和传输的金属材料和微纳结构，设计出实现光子-表面等离激元相互有效转化的光量子器件的可行性方案，探索表面等离激元效应在量子信息领域的新应用。