手性单光子界面：隔离与定向发射

论文摘要

量子信息处理芯片能够实现对光量子体系的高精度和普适化的量子调控和量子测量,是当前量子科技革命的关键之一。目前,科学研究迫切需要扩大集成量子光路元件的功能性,增强其对量子信息处理的能力,从而推进量子信息技术的应用。手性量子光子是近几年发展起来的一个新研究领域,其主要研究在纳米光学结构器件中光场与量子发射器手性耦合现象及其应用。在纳米结构中,光场由于受到很强的束缚会产生沿着传播方向的电场成分,从而表现出局域的手性圆偏振态分布,即光场的偏振态与传播方向有关;进而导致光场与量子发射器的耦合强度也依赖于光的传播方向。基于手性量子光学和腔量子电动力学,本文研究了一种能够实现单光子信息调控的多功能手性界面,并演示了其单光子隔离和单光子定向发射功能,具体包括:ⅰ.构建了由波导、微环谐振腔和量子点组成的手性耦合系统,即手性单光子界面。使用电磁仿真方法,我们设计一种具有手性圆偏振光场分布的微环谐振腔。当光子以正方向入射时,在微环谐振腔外侧的倏逝场是近完美的左旋圆偏振光;而当光子以负方向入射时,在相同的位置处倏逝场是近完美的右旋圆偏振光。ⅱ.演示了单光子隔离功能。将量子点放置于腔壁外侧手性倏逝场很强的位置,并将其初始化后只能与左旋圆偏振光发生耦合。于是由于不同传播方向的光场与量子点的耦合强度不一致,实现了单光子隔离功能。ⅲ.演示了单光子定向发射功能。当位于腔壁外侧的量子点被泵浦在右旋圆偏振光跃迁激发态上,光子将从波导右端口出射;而当量子点被泵浦在左旋跃迁激发态上,光子将从波导左端口出射。并且光子会以长脉冲光子或Time-bin光子的形式定向发射。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 腔量子电动力学简介
•   1.2 手性量子光学简介
•   1.3 光隔离和光子定向发射研究进展
•     1.3.1 光学非互易与光隔离
•     1.3.2 光子定向发射
•   1.4 论文研究内容与结构
• 2 手性单光子界面的设计
•   2.1 微环谐振腔的基本理论
•     2.1.1 谐振条件
•     2.1.2 单通道微环谐振腔
•     2.1.3 双通道微环谐振腔
•     2.1.4 三种耦合状态
•     2.1.5 基本参数
•   2.2 微环谐振腔手性光场的理论分析
•   2.3 时域有限差分法与仿真软件
•     2.3.1 时域有限差分法
•     2.3.2 麦克斯韦方程与Yee元胞
•     2.3.3 仿真软件介绍
•   2.4 手性微环谐振腔的仿真结果
•     2.4.1 波导-微环谐振腔耦合结构
•     2.4.2 微环谐振腔的手性光场分布
•   2.5 手性单光子界面
•   2.6 小结
• 3 基于手性界面的单光子隔离器
•   3.1 光场与量子点的手性耦合
•     3.1.1 相干布居捕获对量子点初始化
•     3.1.2 光学斯达克控制对量子点初始化
•     3.1.3 光场与量子点手性耦合强度
•   3.2 单光子隔离
•     3.2.1 实空间单光子传输理论
•     3.2.2 波矢空间单光子传输理论
•   3.3 小结
• 4 基于手性界面的单光子定向发射器
•   4.1 单光子定向发射模拟仿真
•   4.2 单光子定向发射理论计算
•   4.3 小结
• 5 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 唐磊

导师: 肖敏,张勇

关键词: 光与物质手性相互作用,微环谐振腔,量子点,单光子隔离,单光子定向发射

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,物理学

单位: 南京大学

分类号: O413.2;O431.2

总页数: 79

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