人工量子体系中基于量子干涉机制的光子和声子调控研究

With the development of quantum information technology, solid-state quantum systems have attracted a lot of attention and research interests because of their unique optical properties. High efficiency and controllable solid-state quantum light source is one of the key issues to be solved to realize quantum information processing and quantum computer, which is also an important research field in quantum optics and quantum information. In this project, focus on the quantum properties of coupled systems with single artificial atom, cavity, and mechanical oscillator, by driving quantum dots and cavity respectively, based on quantum interference mechanism, high efficiency and controllable solid-state quantum light sources at weak coupling regime and their applications in quantum information processing will be explored. We will investigate the following aspects: 1) High efficiency and controllable solid-state single photon sources. 2) High efficiency and controllable solid-state multiphoton sources. 3) Transfer of quantum states between photons and phonons and realization of phonon blockade. Our schemes are expected to provide new ways and methods for the prototype devices and applications of new quantum light sources, which have important applications in quantum information, quantum computer and all-optical circuits.

随着量子信息技术的发展，固态量子体系由于其独特的光学特性吸引了大家的广泛关注和研究兴趣，其中高效可控的固态量子光源是实现量子信息处理和量子计算机亟需解决的关键问题之一，也是当前量子光学与量子信息交叉学科的一个重要研究领域。本项目将围绕单个人工原子体系、微腔与机械振子耦合体系的量子特性，通过分别驱动量子点和微腔，利用量子干涉机制，探索在弱耦合条件下实现高效稳定可控量子光源的新原理和新方案，并进一步探究其在量子信息处理中的应用。拟开展的研究包括：1）实现高效稳定可控的固态单光子源。2）实现高效稳定可控的固态多光子源。3）实现光子与声子的量子态传递及声子阻塞。我们的方案有望为新型量子光源的原型器件与应用提供新的途径和方法，在量子信息、量子计算和全光电路等领域具有重要的应用。

随着量子信息技术的发展，高效可控的高品质量子光源是量子通信和量子计算等领域亟需解决的关键问题之一。实现单光子水平上的非经典光场操控对量子信息科学有着非常重要的作用。围绕单个人工原子与微腔耦合体系的量子特性，本项目利用单原子腔体系中的Stark位移及量子干涉机制等，实现了高效可控的单光子发射。. 提出了在三能级原子与单模微腔耦合系统中实现超强光子阻塞的理论模型。利用光学Stark频移对真空拉比劈裂的调控作用，调节Stark频移的大小和符号，体系能谱的不均匀度可以得到极大的增强。结合不同跃迁路径之间的干涉效应来抑制双光子激发，在较弱耦合强度下实现了光子阻塞的增强，同时可保持很大的腔光子数输出。特别是，利用体系能谱对Stark频移的大小和符号的依赖性，通过对光子统计特性的量子无损测量，为离子（原子）态的诊断提供了新的方法。更重要的是，基于光子统计特性对Stark频移的依赖性，可以实现魔幻波长（零Stark 频移）的精密测量，这对研究高精度冷原子（离子）光钟有重要的意义。.研究了cavity-EIT系统中的单光子发射新机制。利用EIT的强的非线性，以及暗态极化子对损耗几乎不敏感的优势，结合stark位移增强系统的真空拉比劈裂，探索单光子发射的新机制。通过同时调控Stark位移和控制场，原子准暗态共振的强光子-光子阻塞具有最佳的二阶相关函数和高的腔传输。其潜在的物理机制是Stark位移增强光谱的非谐性和EIT持有的强非线性并且原子准暗态共振对损耗不敏感，这与传统的方案中在腔-EIT中出现Kerr非线性有本质的区别。研究结果揭示了一种实现高质量单光子源的新方法，为腔QED中非经典量子态的工程研究开辟了新的途径，在量子网络及量子信息处理中具有潜在的应用。 .项目执行期间，在SCI一区杂志PHYS. REV. Applied, Photonic Research发表论文各一篇。