受限结构中光子态操控的理论研究

Photons are ideal for the distributing and processing of quantum information in scalable quantum networks, because they travel very fast and are well decoupled from their environment. The interaction between light and matter offers a way out. Different from free space, light is tightly confined in a quantum network. On the basis of our previous investigations, we will do the following studies to find the most efficient way for coherently control of quantum state and build the photonic circuit: the interaction between natural or artificial atom and fields in the confined space; the propagation of photons in the artificial medium, and waveguides with impurity, defect and boundary etc.; the quantum correlation and statistical properties of the excitations in a quantum network.

单光子层面上的量子态控制是量子网络中量子信息分发和处理的关键。结合量子网络中光场的分布在空间上是受到了限制的这一特点，我们将联系当前国际上最新的实验，并在申请者已有工作基础上从理论上研究量子网络上单粒子或少粒子态操纵问题，主要研究内容如下：研究不同形状、维度等空间结构中光与自然或人工物质的相互作用；受限空间和人工介质中的单个、多个光子的散射；量子网络中激发子之间关联与统计特性。申请者希望通过这些研究寻找受限系统中高效率的量子态控制方案和相干通讯的新机制。

波导是引导电磁波传播的结构，其存在的传播模式提供了天然的量子通道。由于空间结构的限制，量子发射体与波导的电磁模式耦合可增强。这使得单光子层面上的光控光成为了未来量子信息处理技术的关键问题。我们研究了波导边界、以及波导边界到单个二能级原子的距离，在一维离散型波导中对光子转移的影响，在半无限长矩形中对这个原子自发辐射的改变。后探讨了与一电磁场相互作用的、在稳态轨道上空间距离固定的两全同原子的量子相干性的冻结问题。以及对称和不对称Mach-Zehnder(MZ)干涉计条纹可见度与路径信息的互补性关系。取得了系统性研究成果，所取得的成果已在国际主流杂志上发表，在SCI刊物上已发表论文9篇。