全固态量子信息处理关键器件的物理原理及技术实现上课讲义

项目名称：全固态量子信息处理关键器件的物理原
理及技术实现
首席科学家：肖敏南京大学
起止年限：2012.1至2016.8
依托部门：教育部
一、关键科学问题及研究内容
本项目将围绕重大科学研究计划“量子调控”专项中的“全固态量子信息处理关键器件的物理原理及技术实现”的指南内容，瞄准发展全固态量子信息处理器件中的关键科学和技术问题，掌握核心技术，从物理原理及技术实现上探讨研制全固态量子信息处理芯片的可行性。

本项目拟解决的关键科学问题包括：
1.受限量子体系的相干光学和单光子发射：
（1）探索单个半导体自组织量子点的单激子、双激子和带电激子的新奇相干光学特性，实现两个以上单个自组织量子点的光学耦合，研制基于自组织量子点的两个以上量子比特逻辑运算单元；（2）发展基于单个半导体胶体量子点的可见光单光子光源并评估其相干光学特性，研究单根半导体单壁碳纳米管的通讯波段单光子发射特性，探索利用多激子产生过程在单个胶体量子点与单根单壁碳纳米管中发射纠缠光子序列的可能性；（3）研究除半导体自组织量子点、胶体量子点和单壁碳纳米管外其它受限量子体系如金刚石中氮-空穴缺陷和生物有机量子点的单光子发射特性；（4）研究利用高品质光学微腔调控受限量子体系的相干光学特性与单光子发射，通过多个微腔耦合实现长距离单个受限量子体系之间的相互作用与量子信息传递。

2.光学超晶格新型纠缠光源及集成化在量子信息处理中的应用：
（1）建立准相位匹配尤其是多重准相位匹配下产生纠缠光子的系统理论，包括不同畴结构对纠缠光子模式的调控研究，研究双光子的时间（频谱）关联以及空间关联的远场和近场特性，建立基于光学超晶格的量子干涉、量子成像、量子光
刻、量子全息的理论；（2）研究铁电畴的多功能效应，并应用到集成化量子信息处理，例如基于光子空间模式自由度的量子计算等。

研究铁电畴构型和空间分布对量子态相干特性影响，解决不同畴结构集成时的相位控制和匹配问题；（3）研制光学超晶格光波导，研究基于光学超晶格光子芯片中的关键物理问题，发展新的光学超晶格光子芯片的制备技术，解决光量子态产生效率、传输损耗和稳定性等关键问题。

在单光子水平研究电光、声光等效应对相位、偏振的控制能力，实现对量子态的即时调控，解决功能集成时的关键问题，如相干性控制、集成度提高和功能兼容等；（4）探索其他适合量子集成的光学芯片如光子晶体和表面等离激元材料等，研究这些芯片上光子的分束、相位控制和量子相干特性的检测；（5）搭建探测光子时间和空间模式的设备和测试平台，搭建波导质量检测和耦合输出（入）系统，制成若干具有量子信息处理功能的原型器件。

3.基于纳米线光波导的的新型超小型化量子信息器件研制：
（1）基于纳米线光波导的新型超小型化基本量子信息处理器件（亚波长尺度谐振腔、光栅、槽型高双折射波导等）的设计方法、制备封装工艺和模块集成，尤其是一维表面起伏微纳光栅、二维单环和三维多环谐振腔的相关理论和工艺；（2）实现超小尺寸、高效率和高亮度的纠缠光源和单光子源，尤其是通过修正普通圆对称微纳光纤得到极端色散和非线性特性，从而实现高集成度的全光纤纠缠光源和量子信息的转移、传输和调控；（3）利用液晶等材料和外部电场声场等手段实现量子信息处理器件的可调谐化，解决可调谐器件的封装集成工艺；（4）具有大消逝场、环间超强耦合效应的二维单环和三维多环谐振腔的非线性耦合以及类电磁感应透明和量子电动力学效应的机理模型和实验演示；（5）金属-介电混合纳
米线光波导器件中表面等离激元与光子的转换对于光子纠缠特性的影响，以及在量子信息处理器件上的新应用。

4.高品质因子微腔及固态类EIT系统在量子信息处理中的应用：
（1）解决关键微纳加工技术，包括制备高品质因子硅基微腔和微腔阵列的光刻、刻蚀及后处理工艺，制备晶体光学微腔的切割、加工及抛光工艺，制备单模非线性光波导和变周期布拉格光栅所需的飞秒激光直写工艺等；（2）研究多微腔系统中的耦合效应，通过微腔参数设计、电光效应、光力效应等人工调控微腔谐振频率的失谐量，制备超窄线宽的类电磁感应透明光学微腔系统，实现纳秒量级以上的光存储；（3）研究微腔及其耦合系统中的非线性增强效应，研究非线性布拉格光栅光波导中的色散控制、光孤子和慢光效应，在此基础上研制应用于量子信息处理中的集成器件，如量子中继器，宽带光缓存器等；（4）研究稀土离子掺杂的晶体中的电磁感应透明，并在此基础上实现全光控制的量子信息器件；（5）优化光学微腔设计，在芯片上实现低阈值量子纠缠态。

主要研究内容：
（1）受限量子体系的相干光学和单光子发射；（2）光学超晶格新型纠缠光源及其集成化在量子信息处理中的应用；（3）基于纳米线光波导的量子信息器件；（4）高品质因子微腔及固态类EIT系统在量子信息处理中的应用。

具体研究内容：
1.受限量子体系的相干光学和单光子发射：
（1）研究单个半导体自组织量子点的相干光学特性和影响去相干时间的物理机制，设计新型的自组织量子点结构延长其去相干时间以实现对单个量子态的超长
时间调控。

采用电场、调温和应力等方法调节单个自组织量子点激子能级的精细结构劈裂和两个以上自组织量子点的激子能级共振，实现基于单个和多个自组织量子点的量子比特逻辑运算单元。

探索在单个自组织量子点中高效产生多激子的机制，利用多激子复合过程得到纠缠光子序列；（2）研制基于单个半导体胶体量子点的可见光单光子光源，通过抑制或消除俄歇效应实现对其双激子的稳态光谱测量并产生纠缠光子对。

研究单个胶体量子点在低温下的超窄吸收与发射谱线，探索对其基本相干光学特性如量子干涉和Rabi振荡等进行测量的可能性；（3）研究半导体单壁碳纳米管中的声子与激子耦合现象，通过比较上转换荧光、下转换荧光和激子荧光的动力学行为来分析其荧光量子产率偏低的物理机制。

通过与还原剂作用等物理、化学过程探索大幅度提高单根单壁碳纳米管量子产率的方法，在此基础上研制基于单根单壁碳纳米管的高效通讯波段单光子光源；（4）研究除半导体自组织量子点、胶体量子点和单壁碳纳米管外的其他受限量子体系，如金刚石中的氮-空穴缺陷和生物有机量子点等，实现对其单光子发射的测量和相干光学特性的评估；（5）探索将受限量子体系与高品质因子光学微腔高效结合的方法，研究在强耦合和弱耦合作用下的微腔量子电动力学行为，提高其单光子发射和收集效率。

对微腔中的量子受限体系进行共振激发，研究该临界状态下其相干光学特性并观察新奇量子光学特性。

实现不同微腔中单个受限量子体系间的相互作用，完成不同量子比特之间的长距离相互作用与量子信息传递。

2.光学超晶格新型纠缠光源及集成化在量子信息处理中的应用：
（1）理论和实验研究光学超晶格中新型纠缠光子的产生及纠缠光源的制备，实现光子多个自由度的调控，实现新型高维纠缠光子态以及超纠缠态，研究它们在量子通讯中应用；（2）利用多重准相位匹配原理完成纠缠光子空间模式的集成操
控，发展新型量子成像技术、量子全息技术，研究可预知的单光子源以及各种类型多光子源；（3）研究光学超晶格基片上的量子集成光路, 研究微结构波导制备技术，实现高亮度光子态的制备和高效的光子信息处理，结合铁电畴的声光、电光效应实现对光子的路径、偏振、相位等的精确调控，探索光学超晶格有源光量子器件；（4）拓展1-2种适合量子集成的材料体系，例如：硅基材料、半导体Ⅲ-Ⅴ材料、光子晶体、表面等离激元材料等，发展相关工艺，表征量子相干特性以及演示逻辑功能，在无源集成的基础之上进一步发展有源集成化量子器件；（5）各种类型纠缠光子的探测问题，研究不同波长、不同空间模式的单光子水平高效探测和符合测量技术。

3.纳米线光波导新型量子信息器件的研制：
（1）制备工艺和器件设计：低损耗的纳米线光波导（平面和光纤），以及基于纳米线光波导的超小型化固态器件，包括两维单环谐振器、三维多环谐振器、结构起伏或者折射率调制的光栅、法布里-珀罗腔、高双折射槽型波导等，器件的集成化研究试验，相关器件的数值模拟技术和性能预测分析模型的建立；（2）量子信息在纳米线光波导中的产生、传播和操控：通过设计光波导的混合材料体系和几何形状优化其双折射、色散和非线性特性，通过非线性效应获得高质量高计数率的纠缠光子源。

研究单光子态、光子纠缠对在纳米线光波导器件中的传输特性以及利用大消逝场的纳米线光波导对原子、离子和光子实现转移操控，实现可用于光纤通信的全光纤化量子逻辑门等功能性器件。

同时讨论拉曼和布里渊等效应对于相关噪声的作用和抑制方法，并结合量子点和纳米线光波导实现单光子源及其调控；（3）量子信息处理器件的可调谐化以及封装集成工艺：利用液晶等材料和外部声光电热场等手段实现可集成化的量子信息器件的调谐；（4）高品质因子
纳米线谐振腔的机理和应用：具有大消逝场、环间超强耦合效应的二维单环和三维多环谐振腔的非线性耦合的研究；高品质因子多环谐振腔的类电磁感应透明和量子电动力学效应的机理模型和应用演示；（5）金属介电混合纳米线光波导在量子信息技术的应用：在平面和光纤纳米线光波导中利用表面等离激元效应实现光子调控和量子信息处理。

研究金属覆层的介电纳米线光波导及其器件对于纠缠光子对传输特性的影响；研究结合金属-介电纳米线光波导和各种微纳结构，发展基于表面等离激元的量子信息处理新方法、新器件。

4. 高品质因子微腔及固态类EIT系统在量子信息处理中的应用：
（1）利用光刻、电子束曝光、反应离子刻蚀、湿法腐蚀及飞秒激光直写等微纳加工技术，制备多种材料（硅、氧化硅、氮化硅、晶体、金属等）、多种结构（微环芯、微盘和双盘）高品质因子光学微腔及非线性布拉格光栅；（2）研究两个或多个高品质因子光学微腔的耦合系统与稀土掺杂的晶体，实现类电磁感应透明，研究基于类电磁感应透明或电磁感应的光存储及光开光等；（3）研究高品质因子微腔及微腔耦合系统与单量子点或金刚石氮缺陷耦合的腔量子电动力学现象，通过优化系统的耦合率和提高光学微腔的品质因子实现强耦合；（4）利用非线性光学效应及周期结构调控介质的色散，研究宽带慢光效应；（5）通过优化光学微腔结构并利用热光、电光效应调控光学微腔的色散关系，研制集成在芯片上的量子纠缠源。

二、预期目标
总体目标：
研制基于光学超晶格与受限量子体系的高效量子光源（纠缠光，单光子），使之可集成化；发展可用于量子态传输、存储、逻辑运算及调控的高品质因子微腔、微纳光纤、纳米线光波导等微纳结构的体系，研究其物理原理及技术实现途径，验证这些体系作为量子信息处理的关键器件的可行性。

通过本项目的实施，力争在量子信息领域取得若干国际领先的原创性研究成果，形成一系列自主知识产权，同时培养一支具有国际竞争力的研究团队，为最终实现全固态量子信息处理芯片提供必要的技术支撑和人才储备。

五年预期目标：
1.研究单个半导体自组织量子点的相干光学特性和影响去相干时间的物理机
制，探索其与高品质因子光学微腔高效结合的方法，实现基于单个和多个自组织量子点的两个量子比特以上逻辑运算单元；
2.实现对单个半导体胶体量子点相干光学特性的测量，研制基于单根半导体单
壁碳纳米管和单个生物有机量子点的新型近红外波段和紫外波段单光子光源；
3.发展基于光学超晶格的集成光子芯片，演示两个及多个量子比特操作；
4.探索在光子晶体、表面等离激元材料中实现高密度的量子集成光路的可行性，
演示其对光子路径、相位控制功能；
5.实现基于纳米线光波导的各种新型的超小型化固态器件，包括高品质因子多
环谐振器、结构起伏光栅、FP腔、偏振相关器件等，演示集成化的量子信息处理单元；
6.利用微加工方法加工修正微光纤等纳米线光波导的色散和非线性特性，实现
超小尺寸的、高效率和高纯度的可调谐光子对产生器件；
7.制备出多种结构（微环芯、微盘、双盘微腔）的高品质因子（品质因子分别
达到108，107，5×106）光学微腔及微腔阵列；实现基于高品质因子光学微腔的窄线宽类电磁诱导透明，在芯片上研制出多个基于类电磁诱导透明的经典与量子光子学器件，例如光存贮、光开关等；
8.实现高品质因子光学微腔或耦合系统与单量子点、金刚石氮缺陷或机械振子
间的强耦合，演示强耦合微腔量子电动力学在量子信息中的应用；
9.发表高水平论文120篇以上，获得国家发明专利20个，培养博士生40名以
上；
10.综合以上的具体研究，结合各课题组的成果，建立集成的展示系统。

三、研究方案
（一）学术思路及技术途径
本项目总体研究方案是研制光学超晶格及受限量子体系中的光量子态产生及调控，并用高品质因子微腔结构、固态类EIT系统、纳米线光波导等微纳结构作为量子态的传输、存储及调控器件，研制量子信息处理的固态器件，以期最终实现全固化量子信息处理的集成化及芯片化。

1.受限量子体系的相干光学和单光子发射
（1）单个自组织量子点的相干光学特性和腔电动力学。

单个自组织量子点的超窄荧光谱线、反聚束效应、量子干涉、Rabi振荡等基本光学特性都已经得到报道，而利用其能级结构已经能够实现简单的逻辑运算门。

本课题组将重复实现文献中报道的和单个自组织量子点发光有关的重要实验结果，在其单光子发射和相干光学特性测量方面达到世界一流水平。

在此基础上，我们将侧重于利用飞秒激光脉冲在自组织量子点样品中实现新型光学微、纳腔结构来研究新奇相干光学特性和腔量子电动力学行为；
（2）单个胶体量子点的相干光学测量和共振荧光激发。

虽然单个胶体量子点的量子发光体性质已经通过反聚束效应的测量得到普遍确认，可是由于俄歇效应所导致的荧光闪烁和光谱漂移现象严重地缩短了去相干时间，导致对其量子相干特性的测量多年来一直没有进展。

在本课题的研究过程中，我们将采用俄歇效应得到极大抑制或消除的胶体量子点体系，并结合在平面微腔结构中的共振荧光激发方法，力争首次实现对其基本相干光学特性的测量；
（3）单根单壁碳纳米管的单光子发射。

由于单根单壁碳纳米管的荧光量子产率
极低(室温下只有百分之几)，反聚束效应只是在低温情况下被观察到，而单根单壁碳纳米管在室温下是否仍然是一个量子发光体目前还存在着广泛的争议。

在本课题的研究中，我们将揭示导致单根单壁碳纳米管荧光量子产率偏低的主要原因，探索在室温条件下将其荧光量子产率大幅度提高的方法，力争首次实现室温条件下的反聚束效应测量并研制通讯波段单光子发射器件；
（4）新型单个受限量子体系的单光子发射。

本课题组还将积极探索在其它受限量子体系如金刚石氮-空穴缺陷和生物有机量子点中产生单光子发射的研究工作。

以生物有机量子点为例，在这种基于有机共轭体系的新型结构中，有机分子处于结晶状态，而芳香环则发生π-π堆积，使得电子的跃迁和光子的发射都受到量子限制的调控，突破了传统上对量子点认识的局限性。

而有机分子的丰富种类和结构上的可控性，使得从量子的层面上调控有机纳米粒子的单光子发射与传统半导体纳米结构相比有着很多独特的优势。

2.光学超晶格新型纠缠光源及集成化在量子信息处理中的应用
（1）光学超晶格新型纠缠光源研究。

研究光学超晶格中的经典与非经典的非线性光学过程，将光学超晶格的研究从经典光学拓展至非经典光学；利用畴工程技术研制基于光量子信息处理的光学超晶格单光子源及纠缠光子源，并实现其结构设计、制备、加工和品质的评价；搭建若干实验平台，实现对光子基本量子特性，如光子产率、相干特性、空间分布、频谱特性等的探测和分析；
（2）光学超晶格中基于多重准相位匹配的功能集成研究。

研究多重准相位匹配纠缠光子产生的基本理论，利用工程畴实现类似线性光学元件如光栅、透镜、棱镜以及分束镜等功能，探索其在量子光学领域的应用；实验上，首先研究单个分
立元件的实现效果，再拓展至多个线性元件的集成，最终实现有源量子信息处理组件；
（3）光学超晶格基片上量子光路的集成。

借助光学超晶格波导实现高亮度纠缠光子态的制备和高效光信息处理; 研究铁电畴的声光、电光效应、光克尔效应等并实现对光子的相干调控；在纠缠光子空间模式的集成操控基础之上，发展新型量子成像技术、量子全息技术; 演示两量子比特以及多量子比特的操作；解决光量子芯片功能集成中所遇到的物理和工艺问题，在此基础上研究进一步提高集成度和增加量子信息处理复杂度的可能性；
（4）其它更高密度量子集成的材料体系拓展。

尝试1-2种新的光量子信息材料体系，如硅基材料、半导体Ⅲ-Ⅴ族、光子晶体、表面等离激元材料等，发展新型集成工艺，测量其中的量子相干特性以及演示逻辑功能。

同样采用先经典后量子的技术路线，首先从这些材料的基本光功能，象开关、定向耦合、直角偏折以及光控光等性能研究入手，再设计特定的量子逻辑门单元器件；
（5）各种类型纠缠光子探测。

实现不同频谱、不同空间模式的单光子高效探测和不同纠缠光子的符合测量；利用光学超晶格频率上转换实现低量子效率波段的单光子的有效探测；采用时间转空间技术实现高时间分辨关联测量，利用高灵敏弱光CCD实现空间分辨的测量; 解决自由光、波导、光纤之间的对接问题，实现高效耦合，提高量子探测效率。

3.基于纳米线光波导的的量子信息器件研制
（1）新型纳米线光波导及其器件的设计和制备。

利用现代微纳加工技术和微光纤拉制技术，研制基于平面光波导或者光纤纳米线（微纳光纤）的超小型量子信息处理器件,探索相关的物理机制和新应用。

利用聚焦离子束等微加工技术在纳
米线光波导上实现各种微结构，包括表面结构调制的光栅和单环形谐振腔等等。

而多环形谐振腔可以利用高精度旋转台结合微结构介质棒绕制来实现。

基于这些微纳器件，可实现在光量子信息处理中的分束、开关、滤波、波长路由等功能；（2）量子信息在纳米线光波导中的产生、传播和操控。

优化纳米线光波导的混合材料体系和几何形状得到特殊的双折射、色散和非线性特性，利用非线性效应获得高质量的纠缠光子源。

采用微加工技术修正普通圆对称微纳光纤，得到一些特殊形状的光纤，比如具有极端色散和非线性特性的高双折射纳米狭缝微纳光纤、方形微纳光纤等。

利用纳米线超大消逝场实现原子、离子与光子之间的信息转移和操控。

另外光纤的选择可以多样化，甚至可在空心光纤内填入各种介质，包括冷原子气体，在微纳光纤中实现一些平面波导不易实现的结构和器件；（3）量子信息处理器件可调谐技术及封装集成工艺。

利用典型的可调谐材料，比如液晶和聚合物等，结合外部的电热声光变化实现器件的可调谐。

液晶等材料可以通过特定的微流体通道输入器件内部，也可以作为波导的外部覆层。

（4）高品质因子纳米线谐振腔的机理和应用。

超小型化、高品质因子的纳米线光波导谐振器可以用来实现纠缠光子源。

几百微米尺度的全光纤化多环谐振器的制备采用拉制环绕封装一体化的无缝操作装置来实现，内部通道可以输入液晶等材料实现调谐，甚至冷原子气体等实现光子、原子的操控。

通过优化谐振器的几何形状或者级联几个谐振器实现不同的信号处理功能。

此外可以用多个纳米线光栅作为反射镜来实现FP型谐振腔；
（5）金属介电混合纳米线光波导在量子信息技术的应用。

研究纠缠光子对在金属介电混合结构中的传输特性；利用微加工手段在纳米线端面、侧面制备各类金属微结构，发展基于表面等离激元的量子信息处理新方法、新器件。