纳米微腔半导体量子点的量子动力学

《纳米微腔半导体量子点的量子动力学》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米微腔半导体量子点的量子动力学（51页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、上海交通大学 硕士学位论文 纳米微腔半导体量子点的量子动力学 姓名：薛蛟 申请学位级别：硕士 专业：凝聚态物理 指导教师：朱卡的 20090101 上海交通大学硕士学位论文 I 纳米微腔半导体量子点的量子动力学 纳米微腔半导体量子点的量子动力学 摘 要 量子信息和量子计算近年来正受到越来越多的关注， 而微腔量子 点由于公认有希望作为未来量子信息计算单元尤其吸引了大量科学 工作者的关注，产生了许多有价值的研究。但是，量子点中广泛存在 退相干效应量子态相干性的破坏， 从而引发量子计算的错误和量 子信息的丢失，使得量子计算器材的应用受限。而大量研究表明声子 很大程度上导致了这种效应， 从而理解声子如

2、何对退相干率发生作用 就显得十分宝贵。在这种量子点微腔结构中，量子点中的激子产 生了不同于通常原子的二能级系统， 而这种二能级系统就是本文研究 的焦点。在这一领域，已有很多人作过大量的工作，并得出了很多重 要的结论。 然而从前的工作没有考虑激子与微腔模差别失谐所带 来的效应。 本文以幺正变换和微扰论为基础， 加上对于算符作一位移对这种 二能及量子点中激子的动力学进行了研究。 由于存在激子与腔模的 差别（失谐）前文所述的对于算符作一位移使得本来丧失的对称性得 以恢复，从而计算可以顺利进行。我们得到了二能级量子点系统中的 退相干率与失谐（激子频率与腔模之差）的明确解析关系。结合上面 的解析式我们计

3、算了量子点系统中的激子寿命， 我们发现这种失谐对 于激子寿命有着很大的影响失谐越大，寿命越长。同时通过与最 上海交通大学硕士学位论文 II 近进行的实验进行比照Hennessy, et al., Nature 445, 896 (2007)，结果 吻合得很好。 另外，在有外附加光场的情况下， 我们研究了系统中 相干激发的激子的动力学性质。 在这种情况中我们预测了在存在失谐 情形中，拉比震荡依旧出现。并且失谐将很大程度上影响这种拉比震 荡的模式。最后，我们讨论了激子声子相互作用对于这种二能级系 统相变的影响。 关键词： 二能级量子点， 激子, 激子声子相互作用,幺正变换， 失谐， 退相干 上海交

4、通大学硕士学位论文 III QUANTUM DYNAMICS OF A SINGLE QUATUMN DOT IN A NANOCAVITY ABSTRACT Recently, quantum information and quantum computation have become very hot and are attracting more and more attention from scientists. The potential applications of semiconductor quantum dots confined in a microcavity in

5、 quantum information processing have generated considerable research efforts in recent years. Thus, the decoherence of such system, which is mainly due to the phonon effect according to recent studies limits the application of optical device. So it is indispensable to understand how the phonon contr

6、ibute to the decoherence. In such dot-cavity systems, exciton in quantum dots constitutes an alternate two-level system instead of the usual two-level atomic system and this is the study focus of this paper. In this field, many studies have been conducted but few took the detuning of exciton and cav

7、ity mode into consideration. Most former studies assumed that the dot-cavity system are in resonance. This paper studies the quantum dynamics of a strongly coupled single quantum dot-cavity system with non-zero detuning in a phonon 上海交通大学硕士学位论文 IV bath theoretically in terms of a perturbation treatm

8、ent based on a unitary transformation and an operator displacement. The operator displacement turns the asymmetry due to the detuning and smooth the calculation. The decoherence rate due to phonons as a function of the detuning between the cavity mode and exciton is obtained analytically. It is show

9、n that the detuning has a significant impact on the quantum-dot exciton lifetime. In the realistic experimental conditions, the calculated exciton lifetimes are in good agreement with recent experimental observation Hennessy et al., Nature 445, 896 (2007). In later part of the paper, we consider the

10、 dot cavity system is coherently driven and also a non-zero detuning is introduced. In this phenomena, An excitonic Rabi Oscillation is predicted and the detuning is found to have a great impact on its mode. At last the influence of the phonon excition coupling on phase change in such system is stud

11、ied, KEY WORDS: quantum dot system, exciton, exciton-phonon interaction, unitary transformation, decoherence rate 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：薛

12、蛟 日期：2009 年 2 月 20 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：薛蛟 指导教师签名：朱卡的 日期：2009 年 2 月 20 日 日期：2009 年

13、2 月 20 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章第一章 引言 引言 1.1 背景综述 1.1 背景综述 本论文主要研究微腔半导体量子点的量子特性， 而谈到量子点就必须要谈到 量子计算机， 作为将来极有可能改变人类生存方式的科技正吸引着无数科学家目 光，下面我就先从量子力学的近代发展谈起 随着科学技术的迅猛发展和人类认识水平的不断提高， 经典物理的知识体系 已经远远不能满足人们认识世界的需要。随着人们对微观世界探索经验的积累， 20世纪物理学所取得的两个划时代的发展之一量子力学迅速产生并蓬勃发展， 成为人们认识微观世界的利器。 几十年来， 微电子技术和半导体技术的高速发展使得微处理器芯片做

14、得越来 越小，功能却越来越强大。然而，微处理器芯片是否存在极限运算速度，芯片集 成究竟可以达到何种程度?究竟能否实现不可破译的密码和不可窃听的保密通信? 诸如此类信息科学所面临的挑战，一直都是数学家、电子技术专家和计算机科学 家所关注的课题。近年来，物理学家也加入了攻克难题的队伍，并成功地将量子 理论和信息理论结合起来，提出了很多令人耳目一新的概念、原理和方法。量子 信息的研究就是充分利用量子物理基本原理的研究成果，发挥量子相干特性1 ，2 的强大作用，探索以全新的方法进行计算、编码和信息传输的可能性，为突破芯 片极限提供新的概念、思想和途径。量子力学与信息科学的结合，充分显示了学 科交叉的重

15、要性。量子信息器件的出现，会导致信息科学观念的重大变革。 到底是什么使得量子计算和量子信息这么不同于通常意义上的计算和信息 技术， 并有着如此强大的功能？这一切都要归功于量子理论独具的量子态的相干 叠加性和纠缠性。在经典信息处理中，信息是由经典状态（如电压的高低）1和0 表示。对于量子信息而言，由于微观世界中量子效应会凸现出来，经典信息的1 和0必须由两个量子态1和0来取代；处于这样两种不同状态之上的粒子就是 量子信息的基本存储单元量子比特。 任意两态量子体系都可成为量子信息的载 体，如二能级原子、分子或离子。与经典比特本质不同，量子比特可以处在1和 上海交通大学硕士学位论文 2 0相干叠加态

16、() 1 01 2 =+上，这样可供选择的状态数被极大的提高了。 多量子比特系统特有的量子性质是所谓的量子纠缠。 两个量子比特的量子系统有 4种不同的状态，即两个比特都在0上的状态0,0，两个比特都在1上的状态 1,1， 第一个比特在0上同时第二个比特在1上的状态0,1， 第一个比特在1 上同时第二个比特在0上的状态1,0。这一点与两个比特的经典系统的情况一 样。不同的是，两个比特的量子系统可以处在非平凡的双粒子相干叠加态量子 纠缠态上，如() 1 0,11,0 2 EPR =+，其非平凡性表现在它不能分解为单个 相干叠加态的乘积，从而呈现初比单比特更丰富的、更奇妙的量子力学特性；若 EPR描述了处在自旋单态上的双电子体系， 其中1代表电子自旋向上的状态， 0代表自旋向下的状态。测量第一个电子的自旋，50几率得到向上或向下的 结果。当第一个电子被发现自旋向上，整个波函数被塌缩到1,0上。这是再测 量第二个电子，必得到自旋向下的结果。即使两个电子分开得很远，这种关联仍 然存在。此即为量子态的相干叠加性和纠缠性。