确定性单光子的固态量子存储

As the carrier of quantum bits (qbit), single photon plays an important role in the construction of quantum network. Semiconductor self-assembled quantum dot (QD) has the innate advantage in the fabrication of integrated deterministic single photon source, with the well-developed semiconductor technology. On the other hand, the application of solid-state quantum memory aiming to synchronize the photonic qbits is also an important step in the quantum computation. The main purpose of this project is to realize the memory of single photons emitted from QD into the Nd:YVO4 solid-state quantum memory. The main contents include: the fine tuning of the wavelength of single photons, the reduction of the single photons' linewidth, and the improvement of the collection efficiency of the single photons. The methods are mainly: the application of electric field, so that the QD emission can be shifted to the absorption line of Nd:YVO4 crystal by Stark effect; the utilization of resonant excitation to reduce the spectral diffusion effect, by which the intrinsic linewidth of QD can be reached; the application of solid immerse lens to match the refractive index of GaAs, making the collection efficiency of single photons highly improved.

在量子网络的构建中，单光子作为量子比特的载体，起着至关重要的作用。而半导体自组织量子点依托现已比较成熟的半导体工艺，在集成化的确定性单光子源的构建中具有先天的优势。另一方面，利用固态量子存储来实现光子比特的时间同步也是量子计算的一个重要环节。本项目主要研究如何将量子点发出的单光子存储到低掺杂Nd:YVO4固态量子存储器中去。主要内容包括单光子波长的精确调节、单光子频率线宽的压窄以及单光子收集效率的提高。拟采用的主要方法包括：通过在样品上加电场利用Stark效应调节量子点的发光峰至Nd:YVO4晶体的吸收线；利用共振激发的方法来减小量子点荧光的spectral diffusion效应，从而达到量子点的本征线宽；利用固态浸没透镜来匹配GaAs的折射率，扩大荧光的出射角度的范围，以此来提高单光子的收集效率。

量子中继器是长距离纠缠分发中的关键器件，因为在传输过程中不可避免地会出现光损耗。继著名的DLCZ方案之后，大量改进的基于量子存储的中继方案被提出。这些方案共同地都关注于纠缠分发的速率。在这些方案中，消除多光子（对）项和多模式的量子存储被证明可以大大地提高分发速率。在这个项目中，我们实现了将量子点发出的确定性单光子存到保持偏振的固态量子存储器中；并且，我们还实现了1、20、100个窄单光子脉冲的多时间模式固态量子存储。多光子项被消除，每个脉冲当中最多只包含一个光子。另外，在这个系统中，两个子系统都是固态的，这使得它更容易被扩展。这个项目对基于全固态器件的高效量子中继器的构建将会起到重大作用。