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1、项目名称：固体系统中光与物质强耦合作用的量子调控研究首席科学家：王雪华中山大学起止年限：2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部门：教育部一、研究内容随着固态器件朝着低维、 小尺度方向快速发展， 信息处理单元将会很快缩小至原子尺度量级 , 基本量子特性量子相干性在信息的存储、传递和处理过程中起着核心的作用。 要实现真正意义上的量子信息处理，首先必须解决量子比特系统的可拓展性问题， 固态量子系统在解决这一问题方面具有天然的优势。在固态量子信息领域，量子电子体系与光子之间的量子相干信息交换是量子信息处理和传播的关键所在。然而 , 固态量子系统中的退相干效应比较严重，在信息交换与保留的时间尺
2、度维持量子系统中的量子相干态是主要的挑战。克服这一挑战的关键就是在固态系统中实现光子与量子电子体系的强相互作用，在强相互作用区，不仅可以调控电子的量子态性质， 还可调控光子的量子态性质以及非线性光学效应。因此，本项目拟解决的若干关键科学与技术问题如下：（一）拟解决的关键科学与技术问题1、准确调谐功能微纳电磁介质中量子电子系统与局域光子模在空间上和能谱上产生共振强相互作用， 为此，需要发展能准确模拟光子局域模与量子电子系统相互作用的数值计算方法和开发功能微纳结构的新型探测和表征系统。2、探明基于金属纳米结构表面等离激元效应的光子与量子电子系统相互作用的物理机制，寻找基于表面等离激元效应的快速、高
3、效单光子探测的新方案，发展具有高效非线性光学增强效应的纳米金属和介质复合结构的制备技术。3、实现固态量子系统中强相互作用条件下超快激光操控载波Rabi 振荡、孤子脉冲产生等非线性效应， 发展超高时间分辨、 超高灵敏的超快动力学探测技术，利用飞秒整形脉冲实现自旋相干态的亚皮秒超快旋转操作。4、发展多周期量子点层微纳结构的精确生长技术, 探索该结构中光子与共振激发介质的相干耦合， 利用超快量子光学效应实现光子缓存；依据耦合的量子体系，进行光量子的反馈自学控制，制备和演示光量子操控的功能性原理器件。（二）主要研究内容固态系统中光子与电子强相互作用是保持量子相干性的关键，而光量子操控是实现量子信息交换
4、的关键。 我们将从三条不同的途径研究固态系统中光与物质强相互作用的实现方法及其固态量子调控原理，同时就光量子操控这一共性问题开展研究。主要研究内容如下：（1）固态功能微纳电磁介质中光子- 电子相互作用的量子调控研究。发展位置依赖的光子 -电子相互作用理论研究固态功能微纳电磁介质中量子光辐射特性和其它量子光学性质； 探索层状微纳周期、 准周期和特异介质 （meta-materials ）中缺陷态、表面态及界面态与量子电子系统实现共振强耦合作用的实验方法和控制手段；研究在强藕合条件下电子与光子量子相干态的动力学演化，探索含量子点的固态藕合多微腔结构的可扩展量子比特纠缠新方案，以及波导-微腔复合结构
5、的单光子辐射性质； 研究高精度、 低成本、能大批量制备层状微纳结构材料与器件的纳米制备工艺与技术， 以及层状微纳结构及其器件光电特性的新型测试技术和表征方法。研究电光晶体产生高亮度纠缠光子源的方法以及在量子密码通讯中的应用。（2） 基于表面等离激元效应的光子- 电子相互作用的量子调控研究。研究金属及介质 -金属微纳结构中表面等离激元电磁场的分布特性，发展基于表面等离激元效应的光子与量子电子系统相互作用的量子理论，研究与表面等离激元相关的量子光学新现象； 探索基于金属微纳结构表面等离激元效应的量子相干性保持转移的物理机制和提高单光子探测效率的新方案；研究基于表面等离激元场增强特性诱导的非线性光学
6、效应机理和增强介质非线性光学特性的方法，探索控制光对信号光的调制规律； 发展能精确制备亚波长尺度金属表面微纳结构，以及介质- 金属复合微纳结构的方法、工艺和技术。制备功能性表面等离激元微腔、波导结构，研究其中光辐射的收缩成束效应、高方向性和高极化特性。（3）超短脉冲激光与物质相互作用的超快动力学及量子相干控制研究。发展非慢变振幅近似和非旋波近似条件下周期量级超短脉冲激光与半导体微纳结构相互作用的严格数值计算方法，研究超快激光操控载波Rabi 振荡、孤子脉冲产生等非线性效应； 探索强耦合条件下超短脉冲激光控制超快动力学过程的新现象和新机制，研究飞秒脉冲激光与ZnO 量子点电子自旋的相互作用及其超
7、快相干控制，探索量子点自旋相干态的超快旋转操作新原理和新方法；发展超高时间分辨和超高灵敏的新型探测技术，研究半导体微纳结构中载流子的激发、弛豫及超快激光操控过程； 研究飞秒激光作用下微纳结构中基于量子尺寸效应导致的吸收光谱、光致发光特性、表面拉曼增强效应等。（4）光子的量子相干操控及其功能性光量子调控器件研究：研究多周期量子点层微纳结构材料的能带结构、极化激元模的稳态与瞬态光学特征，以及超短激光脉冲与周期排列的量子点层共振相互作用所导致的光子减速、存储以及受控释放等缓存过程；探索利用MOCVD 精确生长具有尺寸、形状、密度、应变以及周期性均匀的量子点层结构的方法； 系统地发展基于相位空间调制器
8、的多光束干涉技术研究制备层状与立体结构的实时可调微纳器件；发展基于自学控制、 反馈控制以及基因控制的量子工程学控制理论和方法精确制备出有重要应用价值的功能性光量子调控器件，如光子晶体波导、微腔及其复合结构等器件。二、预期目标( 一) 总体目标与量子调控相关的量子生长、 构造和控制技术关系到国家安全和未来高新技术的发展，将在国民经济可持续发展战略中占有极为重要的地位。本项目正是基于国家的这一重大战略需求， 提出探索固态系统中光与物质强相互作用的调控机理、量子光辐射控制、 可扩展量子纠缠的实现、 非线性光学效应、 量子态的存储、量子态动力学超快探测和超快激光操控等的新原理、新方法和新技术。 我们将
9、采用理论和实验密切结合的方式， 攻克固态系统中光与物质强相互作用及其新型量子光电子器件中的重大科学与技术问题，为固态量子调控及其量子光电子器件奠定基本原理和关键技术基础， 取得原创性的自主知识产权， 为我国在未来国际高新技术的激烈竞争中赢得一席之地做出重要的贡献。此外，通过本项目的研究在量子调控领域培养国家杰出青年基金获得者1名，全国百优博士论文（提名）1人次，博士后 6-10名，研究生 110名；发表 SCI论文达 160篇，发明专利 32项。( 二) 五年预期目标1.建立层状微纳结构、 金属纳米结构中局域光场及超短脉冲激光与量子电子系统相互作用的量子理论， 并发展出有自主知识产权的数值计算
10、方法和数值模拟软件。2.获得通过平面固态微腔、金属表面等离激元效应、超短脉冲激光三条途径实现光子与量子电子系统强相互作用的实验方法和控制技术，理解强藕合条件下电子与光子量子相干态的动力学演化机制。3.演示基于藕合微腔结构的多量子比特纠缠新方案，通过波导 -微腔复合结构实现快速、高效、方向性好的单光子辐射，研制出基于表面等离激元效应的快速、高效单光子探测原理器件。4.发展高精度、低成本、能大批量制备层状微纳结构、金属纳米结构及其器件的纳米制备工艺与技术 ，建立能探测和表征微纳结构及其量子光电子器件性能的新型测试技术和表征方法。5.制备出性能良好的金属 -非线性介质复合结构， 利用表面等离激元场增
11、强特性诱导的非线性光学效应实现控制光对信号光的调制，演示一至二个对信号光调控的原理型器件。6.揭示超短脉冲激光量子相干控制及固态系统中超快动力学过程的新现象和新机制，利用飞秒整形脉冲实现量子点自旋态的亚皮秒超快相干旋转控制，建立超高时间分辨和超高灵敏的新型探测技术系统。7.利用 MOCVD 制备出周期性均匀的量子点层结构， 通过这种共振介质中的自感应透明，拉比翻转等量子效应实现光子的减速、存储、释放，演示工作在近红外波段，调控时间ps s 量级的光量子调控原理型器件。8.建立基于逆向设计与逆向算法的能自动优化功能性微纳光电子器件设计与制作的工程实验装置，一次性制备出功能性光量子调控器件，如光子
12、晶体波导、光子晶体微腔及其复合结构器件等。三、研究方案( 一) 学术思路、技术途径学术思路： 量子信息科学与技术是利用量子力学原理对信息进行操控和传输，其本质就是量子态的调控。 要实现真正意义上的量子信息处理，首先必须解决量子比特系统的可拓展性问题， 固态量子系统在解决这一问题方面具有天然的优势，特别是基于现代微纳半导体技术的固态量子系统，其应用和最终产业化的可行性更高。然而 , 固态量子体系受周边环境的影响比较严重，抑制其退相干，维持其量子相干状态遇到了更大的挑战。克服这一挑战的关键就是在固态系统中实现光子与量子电子系统的强相互作用，在强相互作用区， 不仅可以调控电子的量子态性质， 还可调控
13、光子的量子态性质及非线性光学特性。因此，本项目的核心科学问题是要在固态系统中实现光与物质的强相互作用，克服环境的退相干影响，从而实现电子态、 光子态的量子调控和非线性光学效应。本项目将从三条不同的途径研究固态系统中实现光与物质强相互作用及其量子调控的原理、方法和技术： （i）通过具有强非均匀性电磁场分布的功能微纳结构，如能产生光子局域模的层状平面光学微腔结构和能形成界面模的特异材料（Meta Materials）微纳结构；（ ii）通过金属纳米结构及其介电材料复合结构中的表面等离激元效应，这种系统中有非常强的局域场增强效应；（iii）通过超短脉冲激光与物质的强相互作用。超短脉冲激光不仅可产生强
14、耦合相互作用，同时还是量子态动力学性质的一种强有力的表征手段。 上述三个方面的研究都将涉及固态量子调控研究中非常重要的一个共性问题： 即光量子的操控。 基于上述的三种相互作用途径和一个共性问题的学术思想，本项目设立相应的四个课题组：（1）固态功能微纳电磁介质中光子-电子相互作用的量子调控研究，侧重于量子光辐射控制和量子纠缠新方案的研究；（2）基于表面等离激元效应的光子-电子相互作用的量子调控研究，侧重于量子光学与非线性光学效应的研究；（3）超短脉冲激光与物质相互作用的超快动力学及量子相干控制研究，侧重于超快过程、相干效应及量子态的超快操控研究；（4）光子的量子相干操控及其功能性光量子调控器件研
15、究，侧重于利用量子光学原理开展光子缓存和相关功能性光量子调控器件的研究。技术途径： 首先，我们采用基于平面波展开的转移矩阵方法、Green 函数方法及时域有限差分法 （FDTD ）等发展强有力的数值计算工具，开发出一整套具有自主知识产权的数值计算软件平台，用于准确计算层状微纳结构中的光子局域态密度和光子 - 量子系统的耦合相互作用。在此基础上，发展和推广我们建立的位置依赖的耦合相互作用理论， 研究层状微纳结构中新颖的量子光学现象。根据所建立的模拟软件，优化微纳材料的结构参数和物质参数， 设计出功能微纳结构 （如高品质平面微腔）及其相应的光电子器件。 尤其是优化半导体发光二极管的结构，提高其发光
16、效率； 优化单光子发射器的结构， 实现快速、高效、 方向性好的单光子辐射；优化微腔和波导结构，实现光子- 电子共振强相互作用。在模拟各种微纳结构及相应的电磁性能中，进一步优化模拟软件， 力争将其推广到市场上， 填补我国在这方面的空白。在层状微纳结构的制备上，我们将主要利用电子束直写设备（Raith 150 e-beam Lithography System）在电子胶上定义图形，通过显影出现二维图形，然后利用反应离子束刻蚀设备（Inductively Couple Plasma Dry Etching System, Oxford Plasmalab system 100-ICP180）将相应的图形依次转移到预期的半导体高折射率层上。 在这个过程中， 主要需要克服的是： a)如何在提高电子束直写速度的同时又不影响它的精度， b)如何使图形不失真地转移到半导体层上，在这方面我们已积累了一定的经验。 对于单量子点的定位和操纵， 我们计划采用两种方法，一种是先在半导体层上生长相应的量子点，然后通过标记确定量子点在芯片上的分布， 再利用电子束直写定义微腔，从而制备出存在单量子点的微腔，另
