量子点-光子晶体纳米腔耦合相互作用机制的研究

基于全光的量子信息处理是未来高速信息处理发展的必然趋势，其中，如何实现高效、小尺度、可集成和可调控的单光子器件是光量子信息处理的迫切需要解决的关键问题。根据以上应用需求和关键问题，本项目将基于量子点-光子晶体纳米腔系统中的腔量子电动力学理论，深入探索量子点-光子晶体纳米腔中光子态与电子量子态之间的耦合相互作用，研究单光子的产生和调控的物理机理，并解决单光子的输出效率问题，为基于单光子的量子光信息处理关键器件的设计和研发提供理论指导和支持。通过理论建模、数值仿真、参数优化与实验验证相结合的方法，实现单光子的有效产生、有效收集、外场可控。该课题的预期成果，对最终实现全光量子信息处理的重大需求以及更深层次了解和掌握光子操控的机理，都具有十分重要的意义。

本项目在量子点-光子晶体纳米腔中光子态与电子量子态之间的耦合相互作用、二维光子晶体的结构优化设计和光学性质、量子点光电特性及生长控制等方面展开了深入研究，并对纳米线、量子环等纳米结构进行了拓展研究，取得了一系列成果。研究了单光子的产生和调控的物理机理，解决单光子的输出效率问题，为基于单光子的量子光信息处理关键器件的研究和设计提供了理论指导和支持。基于腔量子电动力学理论，建立了量子点-光子晶体微腔耦合系统的全量子模型，研究了纯消相、非相干泵浦等对耦合系统的发光谱、单光子发射效率和纠缠光子对产生的影响，探索了量子点-光子晶体微腔耦合系统操控的物理机制，提出了提高单光子发射效率、获得高效稳定的固态单光子源和纠缠双光子源的方法。结合几何投影法和有限元方法，设计了高Q值、低有效模式体积的光子晶体微腔，Q值达到5×105，比现有报道提高了近一倍；设计了易于实际生产制备的宽带隙光子晶体结构，绝对带隙达到0.1735（2πc/a），高于现有报道最高值；设计的能带平坦慢光传输光子晶体波导，群折射率达到2335，远高于现有报道值。设计了具有高效宽带光衍射和汇集特性的二维梳状光子晶体结构和能量对称性高、定向性好的二维光子晶体波导多束分束器。利用密度矩阵方法研究了量子点与光场耦合的线性光学特性以及杂质、量子点半径等对应变量子点的线性和非线性光学特性的影响；利用有限差分时域方法研究了量子点与外场耦合的激子极化激元效应及其产生的Stokes频移。利用连续弹性理论和有限元方法，改进了位错段应力解析公式，研究得到了InAs/GaAs量子点中的优先成核位置和位错形成的临界条件。结合有限元方法和移动渐近线方法，发明了一种计算快速且精度高的方法计算量子点的组份分布，并利用此方法研究了温度和邻近量子点对组份分布的影响及图形衬底台面单量子点生长的临界尺寸问题。本项目取得的研究成果对最终实现全光量子信息处理的重大需求以及更深层次理解和掌握光子操控机理，都具有十分重要的意义。