硅基谐振结构中非线性光学效应导致的光学传播参数非互易分析

研究全硅基光学二极管,即在硅基芯片上实现非互易光学传输,是一项具有广泛应用前景并极具技术挑战的研究课题。采用硅基谐振结构微纳器件中非线性光学效应,完成光学非互易传输,是当前实现硅基光学二极管的重要方法。结合硅基波导中的非线性光学效应的基本原理,以及谐振结构微纳器件的基本模型,分析了硅基谐振结构微纳器件构成的光学二极管中的非互易传输问题。仿真结果表明,依靠谐振结构中的非线性光学效应产生的器件非互易特性仅存在于特定频率,这种非互易性在谐振波长附近的一段频率区域较为明显,考虑3 d B以上的非互易传输比率区间,区间宽度累计可以达到10.6 GHz以上。分析了微环耦合系数对硅基光学二极管的非互易传输比率的影响,得出结论:精确控制波导的耦合系数,使得微环工作在接近临界耦合的状态,有助于提升器件的非互易传输比率。     

利用多通道的光学超晶格产生对纠缠的连续变量频率梳

提出了一种实验上可行的,通过光学谐振腔内多通道参量下转换过程直接产生多色连续变量对纠缠频率梳的方案,腔内增益介质为周期极化的准相位匹配的钽酸锂(LiTaO3)一维光学超晶格.通过连续变量纠缠判据证明了每个通道中产生的每对参量光之间是相互纠缠的.讨论了对纠缠频率梳的纠缠特性随系统参数的变化.此方案在量子通信网络中有着一定的应用前景.     

基于频率调制和双冷却通道的机械振子的基态冷却

基于光-电力学系统提出了一个机械振子的基态冷却方案.在该系统中,机械振子的一端通过辐射压力与光学腔耦合,另一端通过电容与超导微波腔耦合,通过对光腔、微波腔和机械振子进行周期性的频率调制将机械振子冷却到基态.采用协方差矩阵的方法对冷却动力学进行了数值模拟与分析,结果表明采用双冷却通道和频率调制所得的冷却速率远高于标准单腔光力系统,并且该系统可有效抑制斯托克斯加热过程,因此本文方案可有效提高机械振子的冷却效率.     

量子点与金属纳米线耦合系统中表面等离子激元的散射特性

利用由1根金属纳米线与2个相互耦合的量子点构成的系统研究了金属纳米线中单个表面等离子激元的传输特性.研究结果表明,通过适当地调节2个量子点的损耗率、量子点与金属纳米线之间的耦合强度、 2个量子点之间的相位和耦合强度能在异常点处获得单向无反射.该方案可为类二极管等非互易器件的研发提供理论参考.     

一维双量子点系统的电子隧穿及电导

研究了在量子点系统中的共振隧穿,光子辅助隧穿和自旋极化隧穿现象。根据紧束缚近似理论,给出了在稳态下双量子点系统的哈密顿量,并获得在库仑阻塞体系下双量子点系统电导率的表达式。在小功率微波体系下,得到了在单光子辅助隧穿情况的电子传输特性。双量子点的门电压将影响对应频率的光的吸收,系统的电导率将出现对频率的线性依赖性。在外加磁场条件下,发现了在库仑阻塞体系下的自旋极化现象。     

地磁场对星地量子密钥分配的影响

偏振跟踪技术是自由空间量子密钥分配中的关键技术之一．本文建立了星地量子密钥分配链路模型,研究了地磁场对光子偏振态大气传输的影响．理论分析和数值计算结果表明,光子在大气传输过程中,光振动平面会发生旋转,旋转角度的量级为10^-3tad．     

量子信息原理及其光学实现

首先概述了量子信息学中的基本概念和基本原理,包括量子纠缠、量子隐形传态、量子密集编码、量子克隆、通用量子逻辑门和量子算法;然后描述了光学系统中光子纠缠对的产生和光子量子比特的操作方法;最后介绍了光学量子信息研究的最新进展及其发展前景.     

偏振无关磁光波导的设计

为使隔离器、环行器及其他非互易器件广泛地应用于波导集成光子回路,基于磁光材料的非互易特性,提出了一种偏振无关的磁光波导的简单设计方法.在磁光波导芯区的侧面引入特定高折射率区,造成了场强分布的不对称性,从而达到了非互易波导偏振无关的目的.微扰法和有限差分法相结合的分析表明,当方形单模波导宽度大于0.7μm时,TE和TM模非互易相移的相对误差低于1％.该波导结构具有制作简单、工艺容易实现的优点,适用于偏振无关的非互易磁光波导器件.     

中科大成功实现不同频率独立光子间的量子纠缠

中国科学技术大学的研究人员在国际上首次实现了不同频率独立光子间的量子纠缠。研究人员采用时间分辨测量与主动相位反馈相结合的方法实现了不同频率光子问的量子纠缠，并利用窄带量子光源平台对该方法进行了实验演示。     

量子点、量子点分子及耦合腔场的纠缠动力学

考虑了各含一个二能级的量子点和一个三能级隧穿量子点分子的两耦合腔系统,导出了量子点、量子点分子与腔场发生共振相互作用,量子点处于激发态,量子点分子处于基态,腔场均处于真空态的初始条件下系统的态矢量,运用Negativity度量子系统间的纠缠,采用数值计算的方法研究了量子点原子与量子点分子之间,腔中量子点（量子点分子）与腔场之间和两个腔场之间的纠缠特性,探讨了腔场间的耦合系数及量子点分子的隧穿强度对纠缠特性的影响.结果表明,与弱腔场耦合相比,在强腔场耦合情况下,量子点、隧穿量子点分子与腔场之间的纠缠及腔场之间的纠缠减弱,量子点分子与隧穿量子点分子之间纠缠增强;在腔场弱耦合或强耦合下,随着量子点分子隧穿强度的增加,量子点与量子点分子间及量子点与腔场间的纠缠强度受影响程度较小,只有量子点分子与腔场纠缠出现明显减弱.     

量子点、量子点分子及耦合腔场的纠缠动力学

考虑了各含一个二能级的量子点和一个三能级隧穿量子点分子的两耦合腔系统, 导出了量子点、量子点分子与腔场发生共振相互作用,量子点处于激发态,量子点分子处于基态,腔场均处于真空态的初始条件下系统的态矢量,运用Negativity度量子系统间的纠缠,采用数值计算的方法研究了量子点原子与量子点分子之间,腔中量子点 (量子点分子)与腔场之间和两个腔场之间的纠缠特性,探讨了腔场间的耦合系数及量子点分子的隧穿强度对纠缠特性的影响. 结果表明,与弱腔场耦合相比,在强腔场耦合情况下,量子点、隧穿量子点分子与腔场之间的纠缠及腔场之间的纠缠减弱,量子点分子与隧穿量子点分子之间纠缠增强;在腔场弱耦合或强耦合下,随着量子点分子隧穿强度的增加,量子点与量子点分子间及量子点与腔场间的纠缠强度受影响程度较小,只有量子点分子与腔场纠缠出现明显减弱.     

量子信令传输损伤概率模型及修复策略

根据多级分层量子信令网络的信令交换需要,提出了基于纠缠交换、局部幺正变换和量子隐形传态的量子信令直接传输方法.分析了量子信令损伤的因素以及修复策略,提出了量子信令传输损伤的概率模型(P模型).所提出的概率模型体现了非理想经典信道和噪声背景对信令的影响,计算性复杂度低.分析结果表明:所提出的量子信令交换方法适合于多级量子信令网中信令传输的要求,对拦截-测量-转发、截获-替换、增加附属位等攻击具有很强的安全性.     

自由空间量子通信系统研究

提出了一种用于自由空间的量子通信实验系统．该系统由两个子系统组成,分别使用衰减激光作为单光子源和纠缠光子对作为光源,可以分别研究单光子脉冲系统与纠缠光子对系统的大气传输特性,并进行了两种自由空间量子通信方式的性能对比分析．结果表明,低层大气对量子通信的影响较大,单光子脉冲系统的量子密钥传输率较高．     

双腔光力学系统的稳态纠缠

为了提高耦合腔光力学系统的稳态纠缠,将光学参量放大器放置到光学腔中并研究了其纠缠状.首先利用量子朗之万方程和线性化处理,求出系统的稳态解; 然后将纠缠负对数作为纠缠判据,对系统的量子纠缠进行数值模拟.研究结果表明,含有光学参量放大器的系统不但可以显著增强稳态力学纠缠,而且可使纠缠不受热库环境温度的影响; 因此,本文方案可为操控力学系统间的量子纠缠提供参考.     

标记光源的量子密钥分配方案

研究了基于实际系统的量子密钥分配协议.在使用纠缠的基础之上,提出了一种使用光子数可分辨探测器的标记单光子光源的量子密钥分配方案.分析和计算结果表明,该方案不仅可以增加安全通讯的距离,而且可以有效降低对实验技术的要求.     

高Q值微腔中二能级原子演化的操纵和量子反演

通过求解系统演化的主方程,研究了在高Q值腔中两能级原子的量子演化及其操控,特别是数值计算了在不同的场情况下原子在导入π脉冲后的演化.研究表明,在弱场情况下,作用于第一个原子的π脉冲不仅导致了第一个原子的量子演化的反演,还导致了后续第2个原子可以再现第1个原子的演化规律,从而为实现操控原子演化的规律和量子信息的传递提供了一种有效的方法.另外还提供了一种简单、方便可研判微腔中光子数的方法. 更多还原     

一维光声晶体微腔中实现声学量子态探测的关键技术

基于硅基CMOS工艺，设计并制备了一维光声晶体微腔器件，在极低温(28 mK)条件下对该微腔的光学模式(光纤通信波段)和声学模式(～5.344 GHz)进行了表征，利用脉冲光驱动和单光子探测方法实现了声学模式的声子计数。其中的关键技术是利用脉冲光驱动微腔散射光子且产生(或减少)声子，这种脉冲光驱动方法可以减少光的加热效应以保持低声子占据率；再通过级联窄带宽光纤法布里-珀罗滤波器对泵浦光子进行选择滤波，之后测量得到的散射光子可以精确地计算声学模式中的声子数。实验得到的平均声子数为0.14±0.03，进入了少声子区间，为声学量子态在量子计算、量子精密测量、量子换能器等领域的应用奠定了基础。     

光学超晶格中涡旋光的产生与调控

携带轨道角动量的光束,又称为涡旋光,因其新奇的相位分布和物理特性,在光学微操控、超分辨成像、高容量光通信和量子信息技术等领域有重要的应用.涡旋光应用于不同场景需要不同的频率,使用基于准相位匹配原理的光学超晶格作为非线性转换晶体,是获得新频率光源的重要手段.涡旋光与介质的非线性相互作用,不仅要考虑常规的能量守恒和线性动量守恒,还需要关注轨道角动量的守恒问题.本文综述了光学超晶格中涡旋光产生和调控方面的研究进展.通过倍频、和频、三倍频和参量下转换等非线性频率转换过程,可以高效的将涡旋光的工作波长拓展到蓝紫直至中红外波段;通过光学超晶格倒格矢的精密设计,可以灵活调控涡旋光非线性频率转换过程中的轨道角动量转移等.基于非线性全息思想设计非线性光子晶体,可以在频率转换的同时调控光场的波前、相位和振幅等物理参量,从而实现涡旋光束的非线性产生;伴随着超晶格制备技术的突破,调控的维度也从二维拓展至三维.光学超晶格中涡旋光产生和调控的研究,可以加深对轨道角动量这一重要物理守恒量的理解,以及推动相关应用研究的进展.     

在热腔中实现Grover量子搜索算法

在热腔中,基于两原子的相互作用提出一个实现二量子比特Grover量子搜索算法的方案.在强经典场的作用下,取消了演化算符中依赖光子数的部分,因此方案不受热腔影响.该方案虽然简单但可能是扩展更为复杂的量子算法的重要步骤.     

量子熵及其在生物光子学中的应用(英文)

基于光子场与声子库的相互作用机制,建立一个量子光学模型来描述"薛定谔猫"态所诱导的非经典效应的动力学演化.研究光场的量子统计性质(包括光子数分布、平均光子数、光子数方差和光场起伏),讨论了光场量子熵的时间演化,涉及Shannon熵、Wehrl熵及光子统计熵.研究表明,这三种熵在描述光场的量子统计性质方面是相互等价的,而光子统计熵具有可测量的特点,因此光子统计熵的概念和表述被用来研究生物光子辐射的相干性问题.通过测量新鲜树叶和一个非生命天然辐射体的自发光子辐射,对比分析相应的光子数方差及光子统计熵.结果表明,生物光子辐射具有高度的相干性.经考察衰变过程中的生物光子辐射相干性,并与稳态情况相比较,发现两者高度一致.特别是,可采用统一的表达式拟合衰变和稳态两种情况下场熵G(N)随平均光子数N的变化.作为应用,测量了转基因黄豆的自发光子辐射,并与相应的传统样品相比较,发现两者在光子统计熵的意义上有显著区别.