基于半导体量子点的自旋和光子态操纵实验研究

本项目基于半导体自组装量子点的光学操纵技术，致力于发展高频率、可控制、高相干性的单光子源和纠缠光源，研究其品质及退相干的机理，并且通过线性光学手段，建立基于量子点确定发射源的新型多光子纠缠和光学量子计算实验平台。我们将逐步发展量子点的光致发光、确定性电荷注入、微分传输、共振荧光等技术。在这个基础上，我们将计划进一步尝试量子点单光子源和参量下转换纠缠光源的双光子Hong-Ou-Mandel干涉。同时，通过实验与理论的结合，我们将全面分析电子自旋态动力学机制和量子点自旋耦合机制，发展并且结合电子自旋的制备，旋转和单次测量等关键技术，提高自旋态的读取速度，争取实现电子自旋的光学全过程控制，构筑下一代可升级的量子信息技术的科学基础。

在实现量子计算的诸多可能中，作为“人造原子”的半导体量子点，依托迅猛发展的纳米器件技术而非常容易可大规模化，被公认为是实现新型量子光源和全固态体系量子计算机的最有前途的方向之一。本课题研究基于量子点单光子和单电子的量子调控，致力于发展高品质、高亮度的单光子源，深入研究退相干的机理，建立基于量子点确定发射源的新一代多光子纠缠的量子算法演示实验平台。在国家自然科学基金面上项目的支持下，2011-2015年，本项目负责人回国组建基于固态量子点的单光子和自旋比特的量子光学实验平台，以通讯作者发表了Nature Nanotechnology 2篇、Nature Photonics 1篇、Phys. Rev. Lett. 4篇、Nano Lett. 1篇。主要工作包括：首次发展了量子点脉冲共振荧光技术，实现确定性单光子源、拉曼单光子源、多激光缀饰态等，在高效率、高纯度、高全同性这三项单光子源的综合性能达到国际最优，为实现基于固态体系的大规模光子纠缠和量子信息技术奠定了科学基础；在国际上首次在类石墨烯单原子层材料中发现非经典单光子发射，连接了量子光学和二维材料这两个重要领域，打开了一条通往新型光量子器件的道路；以上研究成果受到了《自然》、《自然•纳米技术》、《自然•材料学》、英国物理学会《物理世界》等国际媒体的广泛报道。