半导体光学微腔—研究腔量子电动力学效应的绝妙范例

光学微腔中真空场和电子的行为与它们在自由空间中截然不同，导致了腔量子电动力学的一系列复杂性物理问题，半导体光学微腔是新一代凝聚态微型谐振器的典型代表，是探索腔量子电动力学，寻求新型微腔器及其应用的绝妙范例。文章概要介绍了几种典型的半导体光学微腔及其研究进展。     

量子微腔中运动原子的辐射压力

利用全量子理论研究了量子微腔中运动原子的辐射压力. 从量子微腔与运动原子相互作用模型出发, 利用代数动力学方法对系统的哈密顿量进行规范变换, 推导出系统的时间演化算符和原子内态约化密度算符的表达式, 在此基础上给出辐射压力的解析解, 并讨论了驻波场和行波场中运动二能级原子和三能级原子的辐射压力, 数值结果与实验符合. 关键词： 量子微腔 运动原子 代数动力学 辐射压力     

双模腔场中两原子自发辐射线型的一般理论

本文研究了两个双能级原子与双模真空腔场具有不同耦合常数(g₁≠g₂)时的自发辐射线型.一般情况下,两原子系统的"双模真空场拉比劈裂"存在对称十峰结构;在R=g₂/g₁从0.25增加到0.75的过程中,自发辐射线型交替出现对称八峰和十峰结构;双模真空场中单原子的对称双峰结构以及两等同原子的对称六峰结构可作为特例得出.另一方面,本文给出了上述谱特性的物理解释.     

多模腔场与耦合原子之间量子纠缠信息的传递规律

提出了多个“耦合双原子-腔-多模光场”相互作用系统的集合模型,发现了该物理系统中量子纠缠信息的传递规律.即：处于基态的原子以特定速度通过处于纠缠态的腔场时,原子能够将光场的纠缠信息据为已有;反之,纠缠原子以特定速度通过真空场时,原子能把纠缠信息释放于腔中,这样便实现了腔-原子之间纠缠信息的交换传递.利用原子能够捡起、释放量子纠缠信息的特点,进一步实现腔-腔之间异地量子纠缠信息的传递.在不同条件下,量子纠缠信息还可以保持.     

钕玻璃微球腔模式移动的观察

报道钕玻璃微球腔在尺寸发生微小变化时腔模也随之移动；腔模移动对泵浦耦合产生了重大影响。     

运用动态腔环境实现对原子自发辐射过程的调控

本文从理论上讨论了运用动态的腔环境实现对处于激发态的两能级原子自发辐射过程的调控.研究发现,周期性地改变与原子相互作用的腔环境导致电磁模式之间相互作用,产生电磁模式密度重新分配,并使得原子与腔环境之间的能量交换的频率以及能量耗散的速度发生改变;当腔环境的变化频率和原子、环境之间交换能量的过程保持相对一致时可以实现稳定的相干性演化,衰减效应受到显著的抑制,进而可以通过环境变化操纵相干态的演化. 关键词： 自发辐射 动态环境 量子调控     

微纳尺度腔量子电动力学

腔量子电动力学是在单量子层次上研究光和物质相互作用,在光和原子的强弱耦合、量子相干以及量子信息等方面取得了巨大的成功。通过局域场增强效应,微纳光子结构可以极大地提高光和量子体系的耦合强度,给传统腔量子电动力学带来了新的研究机遇。文章综述了微纳尺度腔量子电动力学的基本原理、重要进展以及可能的应用,特别是在基于金属微纳结构的复合体系中的量子光学效应。这些研究工作不但丰富了光和物质相互作用的内容,还将为芯片上量子信息过程及其可扩展量子网络提供一定的基础。     

耦合原子与腔场多光子相互作用过程中的量子信息传递

建立了"多耦合原子--腔"系统的多光子相互作用模型. 利用腔量子电动力学理论, 研究了原子与腔场相互作用过程中量子信息传递的特性, 分析了原子间耦合作用对量子信息传递的影响. 结果表明: 在一定的相互作用时间内, 量子信息可以在腔场与原子间可逆传递或保持, 原子间的偶极作用导致量子纠缠信息非完全传递和非完全保持.     

高精细度法布里-珀罗光学微腔及其在强耦合腔量子电动力学中的应用

强耦合腔量子电动力学(cavity quantum electrodynamics,简称C-QED)系统主要用于研究受限于空间中的光与物质相互作用的物理现象.该系统为深入认识原子与光子间相互作用的动力学行为提供了有力工具.高精细度法布里-珀罗光学微腔(Fabry-Perot cavity,F-P腔)作为强耦合C-QED...     

光学腔与原子强耦合的实验研究进展

光学腔与原子强耦合系统是量子物理研究的基本系统,不但具有重要的物理意义,而且为量子信息、量子计算和量子精密测量中关键技术的产生和关键器件的研发提供了理想系统。强耦合腔与原子相互作用实验从20世纪90年代开始发展,经过多年的研究,在单原子与光学腔强耦合和原子系综与光学腔的耦合研究方面取得了重大进展。随着多原子阵列量子操控技术的进步,可控的多原子阵列与光学微腔强耦合系统近年来成为腔量子电动力学的重要研究方向。然而,目前实现确定性可控的多原子阵列与腔的强耦合仍面临巨大的技术挑战,可控原子数还停留在两个。简要回顾了近年来光频区强耦合腔量子电动力学系统在上述方面的主要实验进展和相应的实验方案,并展望了未来的发展。     

偶极子位置及偏振对激发光子晶体H1微腔的影响

光子晶体微腔和量子点的集成是实现量子信息处理非常具有潜力的平台之一,利用微腔和量子点的耦合可以制备纠缠光子对,实现对量子态的操控.因为光子晶体微腔具有品质因子高、模场体积小等优点,可以极大地增强光与物质之间的相互作用,从而易于实现量子态在不同物理体系之间的转换.通过单量子点和光子晶体H1微腔的耦合可以产生纠缠光子对,因为H1微腔具有简并的、模式偏振正交的基态模式.通常微腔模式的激发随着量子点在微腔中的位置变化而改变,本文用时域有限差分方法研究了偶极子光源的位置及偏振对激发光子晶体H1微腔模式的影响.结果表明:通过改变偶极子光源位置可以选择性地激发H1微腔简并模式中的一个;具有某一偏振的偶极子光源只能激发相应偏振的微腔模式;模式激发强度的大小也是由偶极子光源在微腔中的位置决定的.鉴于目前量子点在微腔中的位置尚不能精确控制,所以微腔模式受激发光源位置的影响的研究具有重要意义.     

开放式法布里-珀罗光学微腔中光与单量子系统的相互作用

光与物质相互作用的过程具有丰富的物理内涵,不仅有助于理解光的本质,更可以提供一种有效操控物质的手段.开放式光学微腔具有光场强局域性、频率域和空间域的可调谐性以及光纤可集成性等特点,为研究微腔内的光与物质相互作用提供了一个理想平台.本文首先介绍基于开放式法布里-珀罗微腔的腔量子电动力学系统的基本特性,然后介绍开放式法布里-珀罗微腔结构的制备方法,进而从弱耦合、强耦合和差发射体三方面着重介绍近年来开放式微腔与固态单量子系统相互作用的研究工作,最后进行了总结与展望.     

量子阱微腔环型半导体激光器

报道了用纳米制作技术,实现了InGaAs/InGaAsP环型微腔激光器.激光器的直径为3μm～20μm,环的宽度为0.4μm～3μm,环的厚度为190nm.其激射峰值波长为1403nm.     

宏观人工原子相关的量子相干操纵

文章着重介绍作者及其合作者于2005年8月份发表在Physical Review Letters的2篇文章及其相关的系列研究工作．其中包括：（1）利用超导电荷量子比特的“Bang—Bang”控制，去冷却与之相耦合的纳米机械谐振器件，使之接近基态，以展示其丰富的量子效应；（2）具有△型能级结构超导人工原子的物理实现及其绝热量子操纵的奇异特性．为了深入了解这些工作的物理和潜在的应用背景，文章同时也介绍了超导量子比特物理实现及其相关的“全固态系统腔量子电动力学”研究的新进展，强调了基于超导人工原子的强耦合量子光学结构形成的物理机制．     

两个驱动场之间的相位差对四能级原子自发辐射的影响

研究了在两个同频率驱动场作用下四能级原子的自发辐射性质.讨论了当两个驱动场间的位相差取不同值时,原子各能级布居数随时间的演化情况.发现对于不同相位差,可以使原子布居数的衰减速率加快或减慢,甚至完全抑制.     

宏观人工原子相关的量子相干操纵

文章着重介绍作者及其合作者于2005年8月份发表在Physical Review Letters的2篇文章［ 1,2］及其相关的系列研究工作［ 3—5］.其中包括：（1）利用超导电荷量子比特的“Bang-Bang”控制,去冷却与之相耦合的纳米机械谐振器件,使之接近基态,以展示其丰富的量子效应;（2）具有Δ型能级结构超导人工原子的物理实现及其绝热量子操纵的奇异特性.为了深入了解这些工作的物理和潜在的应用背景,文章同时也介绍了超导量子比特物理实现及其相关的 “全固态系统腔量子电动力学”研究的新进展,强调了基于超导人工原子的强耦合量子光学结构形成的物理机制.     

等效零折射率材料微腔中均匀化腔场作用下的简正模劈裂现象

研究了零折射率材料微腔中人造原子与腔模的相干耦合现象.首先通过数值模拟的方法研究了在二维光子晶体微腔中填充阻抗匹配的零折射率材料后腔模的场分布.结果表明零折射率材料的引入使得原本以驻波场形式存在的腔模分布在整个微腔中变得近似均匀且值最大.其次,将人造原子放入腔中的不同位置并与腔模耦合,结果从频谱上观察到腔模的劈裂与人造原子在腔中的位置无关.最后,利用微波实验,通过开口谐振环等效的人造原子与一维复合左右手传输线等效的零折射率材料微腔之间的耦合验证了仿真结果的准确性.该结果为腔量子电动力学中量子点对位难的问题提供了新的方案,同时零折射率材料微腔也为今后研究原子与光子之间的相互作用提供了一个新的平台.     

利用两能级原子与腔场的相互作用转移纠缠

分析了大失谐情况下一个两能级原子和相干态腔场相互作用的特点;讨论了利用两能级原子和相干态腔场相互作用制备纠缠相干态的方法;提出了一个关于纠缠相干态的纠缠转移的方案。在这个纠缠转移的方案里,通讯伙伴之间使用的量子信道是由两个振幅相同位相相反的相干态构成的纠缠态。通过使用两能级原子和腔肠相干态的相互作用和两模正交态测量并在经典信息的帮助下完成了三个通讯伙伴之间的纠缠转移。随着近来腔量子电动力学技术的发展,这个方案是能够被实行的。     

利用腔内量子电动力学效应改变钕玻璃微球荧光谱特性的研究

报道腔内量子电动力学效应对钕玻璃微球荧光谱的影响；分析了光谱中量子电动力学结构的相对强度，同时估算了自发辐射速率的量子电动力学增强。实验证实增强辐度超过１６倍。     

V模型中相干场位原子自发辐射的影响

讨论了Ｖ模型中相干场位相对原子自发辐射荧光的影响，发现荧光谱不仅与相干场的位相有关而且与原子起始状态密切和缀饰原子的方法给出解释。