单模表面等离激元-非系综量子体系的强耦合作用及超快动力学研究

In the field of solid state quantum information, the critical issue is the coherence of the quantum states for the quantum information processing. An efficient way of addressing this issue is to bring photons and quantum emitters into strong coupling regime. Strong coupling between Surface Plasmon Polaritons (SPP) supported by metallic nanostructures and quantum emitters has received much attention in the field of quantum information. However, the decoherence effect is the main problem in these widely studied systems with ensemble of SPP and ensemble of quantum emitters. To reduce the decoherence effect, it is essential to realize strong coupling between a single photon mode and a non-ensemble quantum system. The characteristics and physical mechanism behind the strong coupling are the key questions, which has been rarely studied so far. In this proposal, we will use ultrafast transient pump-probe spectroscopy combined with static spectral interferometry to study the physical processes and ultrafast dynamics of strong coupling between a single SPP photon mode and a non-ensemble quantum system. We will explore the coherent energy transfer of the coupled system, in particular the formation and decoherence mechanism of the coupled system. We will also explore the new mechanism of controlling the ultrafast dynamics of the strong coupling via ultrafast laser pulses, trying to find a new approach of realizing a coherent single-photon manipulation over the quantum states. The features and basic physics related to the proposal will be of great scientific importance and show potential applications in quantum information, as well as in the area of quantum optics.

在固态量子信息领域，量子态的量子相干性是量子信息处理的关键问题。实现光子和量子电子体系的强耦合是解决这一问题的有效手段。金属纳米结构激发的表面等离激元（SPP）和量子电子体系之间的强耦合一直是量子信息领域关注和研究的热点。然而,目前广泛研究的系综强耦合系统中退相干效应比较严重。实现单模SPP光子-非系综量子体系的强耦合是抑制退相干的有效方法，其强耦合的特性与机理是亟需研究的核心物理问题。目前在国内外的研究中极少涉及。本项目拟利用超快瞬态泵浦-探测技术，结合静态光谱相干技术研究单模SPP光子-非系综量子体系之间的强耦合物理过程及其超快动力学性质。研究该耦合系统的相干能量交换、量子态形成和退相干的物理机制。探索强耦合条件下超快激光脉冲控制超快动力学过程的新机制，实现相干量子态单光子量子调控的新方法。项目所涉及的基本物理过程和机制将具有重要科学意义，在量子信息和量子光学等领域具有重要的应用价值。

在固态量子信息领域，量子态的量子相干性是量子信息处理的关键问题。实现光子和量子.电子体系的强耦合是解决这一问题的有效手段。金属纳米结构激发的表面等离激元（SPP）和量子电子体系之间的强耦合一直是量子信息领域关注和研究的热点。然而,目前广泛研究的系综强耦合系统中退相干效应比较严重。实现单模SPP光子-非系综量子体系的强耦合是抑制退相干的有效方法，其强耦合的特性与机理是亟需研究的核心物理问题。目前在国内外的研究中极少涉及。本项目利用超快瞬态泵浦-探测技术，结合静态光谱相干技术研究了复合纳米体系中单模SPP光子-非系综量子体系之间的强耦合物理过程及其超快动力学性质。研究该耦合系统的相干能量交换、量子态形成和退相干的物理机制。探索强耦合条件下超快激光脉冲控制超快动力学过程的新机制，实现相干量子态单光子量子调控的新方法。项目所涉及的基本物理过程和机制将具有重要科学意义，在量子信息和量子光学等领域具有重要的应用价值。.项目取得了一系列重要研究成果：.1、通过摸索聚焦离子束制备工艺，获得了制备可控尺寸纳米结构的方法和技术，并制备出一系列符合实验要求的复合纳米结构，实现了SPP和J-凝聚染料分子之间的强耦合；.2、静态光谱表征结合全波仿真模拟，得到了复合纳米结构强耦合体系单模SPP光子的近场分布和局域特性，探明了单模SPP光子和非系综量子体系强耦合作用下的远场透射光谱的新特性和新规律；.3、发现单模SPP光子和非系综量子体系强耦合作用下的超快相干能量交换物理过程及规律，获得了有效抑制退相干、保持量子态的量子相干性的手段；.4、在国内外刊物发表高质量学术论文6篇。