全偏振量子信息器件的耦合机理研究

A key prerequisite for quantum informaion processing is the ability to universally control the quantum state on the decoherence timescales. The light-matter strong coupling can guide our quantum information devices into this ideal scenario through a scalable route. In previous studies, normal photonic crystal microcavities usually adopt structures with arrays of air holes or media column arrays. These particular structures can only modify one polarized light from quantum dots (transverse magnetic mode (TM) or transverse electric mode(TE)) to a higher quality factor. The project plans to apply novel circular photonic crystals with air hole design. Therefore the quality factor can be enhanced relatevely for both polarized light (TM and TE). We will design and prepare a new fully-polarized high efficiency quantum information device. By exploring the coupling of a variety of low-dimensional quantum electronic systems with micro- and nano-optical cavities, these quantum information devices are prospected to overcome the impact of environmental decoherence. In order to achieve this new method of producing optical quantum control devices, a detailed study on the mechanism of light-matter coupling has to be carried out and the experimental cavity quantum electrodynamics has to be expanded further. This project offers distinct advantages for quantum information applications, including a strongly coupled solid-state platform, ultrabrightness and a scientific basis for the development of novel quantum information devices.

基于量子电子系统与光腔相耦合的量子信息器件是研究量子信息科学的重点。在以往的研究中，常见的光子晶体微腔通常为空气孔阵列或者介质柱阵列，只能对量子点发光波长的一种偏振光(横磁模(TM)或横电模(TE))具有较好的品质因子。本项目计划采用圆环状空气孔光子晶体的设计，可以同时增强两种偏振光对应的品质因子。在已有的研究基础之上，设计制备一种新型全偏振高效率量子信息器件，探索低维两能级量子电子系统与新型光子晶体的耦合，克服环境的退相干影响，从而实现光量子调控器件新方法，揭示腔体与单光子源的耦合机制，进一步从实验出发拓展腔体量子电动力学，制备出有广泛应用领域的全偏振量子信息器件，为发展新型量子器件提供科学依据。

本项目总体达到预期目标，发展和完善了环形孔状光子晶体的制备方法，通过对光子晶体、特别是L3环形孔状光子晶体各参数的调控，揭示了微纳腔体与量子点系统的耦合机制，进而将对象发展至一维的碳纳米管和二维的石墨烯材料，从理论和实验两方面为发展新型量子器件提供科学依据。具体来说，项目组从2015年开始严格按计划总结经验，搜集资料，选定各种所需材料及安排部分设备，完成对光子晶体各参数的设计，并研究各参数对光子晶体性质的影响特别是对两种偏振光的调控。通过对光子晶体结构参数分析，基于FDTD方法建立光子晶体结构与能带特性关系，采用优化算法对缺陷位置以及结构参数进行优化，得出高效率全偏振光子晶体微腔设计方案。2016年研究各参数对光子晶体性质的影响特别是对两种偏振光的调控。我们设计一种工作在通信低损信道1310nm环境下的环形光子晶体。经过结构优化，当环形光子晶体的周期在a=560nm、内半径r=249nm、外半径R=271nm以及厚度d=410nm时，发现在波长1310nm处存在光子禁带，由于光子禁带的存在，光子被局域在砷化镓表面上，从而可以产生强烈的激发发射共振，进而提升了光取出率。在光子晶体得到优化的基础之上，自下而上依次制备基底、DBR结构、高密度自组装量子点层和环形空气孔光子晶体微腔。2016-2017年间我们做了很多拓展性的工作，包括碳量子点、碳纳米管和石墨烯材料的理论和实验研究，目的是制备新型可调全偏振量子信息器件。2017年我们按计划从理论上研究全偏振量子信息器件的机理，为进一步设计可拓展性量子信息器件提供理论依据，总结经验。同时在量子光学、微纳米光电子器件领域培养7名硕士生和2名博士生。共发表相关论文8篇，其中7篇被SCI收录。