基于金刚石镍氮色心的单光子源的研究及其应用

1、irab-论文塩表吉欣基于金刚石镍氮色心的单光子源的研究及其应用【摘要】：在量子物理学创立于发展过程中，单光子源担任十分重要 的角色，总是引起研究学者的关注。一方面，单光子源作为一个非经 典光源可以被用来演示量子力学的基本原理，展现量子的奇异性。另一方面，基于量子力学原理的量子信息技术也需要利用单光子源来实 现量子保密通信和量子计算。特别是在量子保密通信中，密钥的信息 被加载在单光子脉冲序列上，在这种情况下的任何测量都会不可避免 的改变这个单量子系统的本征态，这保证了窃听者不可能在不被发现 的情况下获取密钥信息。因此，对实用可靠的单光子源的研制已经成 为当前量子物理学的最前沿研究内容之一。迄今

2、为止，人们已经发展 了许多种单光子源，例如被囚禁的单原子和单离子、单分子、单量子 点、以及金刚石中的单色心等，然而这些单光子源或者需要复杂的仪 器设备，或者在室温下难以稳定工作。虽然金刚石中的氮-空穴(N-V)色心在室温下表现出超凡的稳定性，但是N-V色心室温下的发射光谱有100nm的带宽，覆盖了可见光的很大部分，因此在空间量子保 密通信系统中难以去除日光背景噪声对实验的不利影响。本论文研制了一种新的单光子源，它的工作机理是基于金刚石中单个镍-氮色心(NE8)的光致发光。与N-V色心相比，NE8色心的发光特性有诸多优 点。首先，NE8色心的发射波长在790nm附近，发射带宽仅有2nm, 有利于

3、在量子保密通讯系统中使用窄带滤光片来去除噪声。而且，NE8色心的荧光寿命仅为2ns,可以支持高速率的单光子产生。同时, 由NE8色心发射单光子具有线偏振特性，这有利于量子保密通信中irab-论文塩表吉欣对单光子偏振态直接进行编码。与此同时，室温下的NE8色心的稳定发光确保了这种单光子源在实际应用中的可靠性。最后，NE8色心可以采用化学雾相沉积（CVD）的方法以可控的手段生长在纳米金刚 石晶体中，为进一步提高这种基于金刚石的单光子源的性能提供了可 能。使用CVD方法生长的纳米金刚石晶体，因为克服了由金刚石材 料折射率大而引起的全反射而导致的光子收集效率低的问题，所以纳米金刚石晶体可以显著提高单光

4、子的收集效率。本论文首次在单光子 水平下对NE8色心的激发光谱进行了研究，研究结果表明NE8色心的最优化激发波长在765nm。研制成了使用765nm激光脉冲激发纳米金刚石中的NE8色心的触发式单光子源，并在室温下实现了稳定 运转，单光子产生速率达到30kcts/s。整个系统紧凑，高效，可应 用于实际条件下的量子保密通信系统。 在本论文中，使用研制的单光 子源对量子物理的基本原理进行了研究。首先，基于N-V色心的单光子源，利用Fresnel双棱镜，开展了的波前分裂的单光子干涉实验， 展现了光的波粒二象性。一方面，由CCD记录下的干涉条纹的形成 过程体现出了光的波动性；另一方面，观测到的反聚束效应

5、体现出了 光的粒子性。使用同一个N-V单光子源，在单光子水平上演示了Wheeler的 延迟-选择”假想实验，验证了量子力学的基本原理。即干 涉仪中，光子的特性取决于对可观测量的选择。即使当光子已经进入 到测量系统中之后才做出对可观测量的选择，光子的特性依旧取决于最终选取的可观测量。这是第一次真正实现了Wheelet的思辨实验，irab-论文塩表吉欣金刚石色心NE8色心N-V色心量子光学单光子干涉 延迟-选择”实验【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：0431.2【目 录】：Abstract6-8摘 要8-141I ntroductio n14-1

6、82Si ngle-photo nsourcesa ndtheirapplications18-30 2.1Si nglephoto nsandan tib un chi ngefect18-192.2Phot oncorrelatio nm easur eme nts19-222.2.1Ha nburyBrow n-Twissexperimentwithphoto ns20-212.2.2Phot on correlatio nfun ctio n212.2.3Qua ntumreprese ntatio no fphot oncorrel atio nfun cti on21-222.3A

7、pplicatio nsofSPS22-272.3.1Researchesonqua ntu mstate22-232.3.2Qua ntumcomputati on23-252.3.3Quantumcryptography2 5-272.4SPSca ndidates27-292.4.1Singleatoms272.4.2Si nglemolecules27- 282.4.3S in glequantumdots282.4.4S in gledefects28-292.5Summary29-303 Sin gleNE8centresi nn aturaldiamo nd30-523.1l n

8、troductio n30-343.1.1Diam on da利用单光子源再次证明了量子力学超越了常识【关键词】：单光子源irab-论文塩表吉欣ndcolource ntres30-333.1.2NE8ce ntre33-343.2Observati on ofsi ngleNE8ce ntres inn aturaldiam on d34-433.2.1Experime ntalsetupbased onconfocalmicroscopy35-383.2.2Photolu min esce ncepropertiesoftheNE8centres38-433.3Photody namica

9、 nalysisofthesi ngleNE8centre43-503.4Summary50-52 4Sin gleNE8ce ntresi nCVD-grow ndiamondnan ocrystals52-664.1l ntroduction52-544.1.1CVDmethodtogrowdiam on d53-544.1.2NE8ce ntresi nCVDdiamon dfilm544.2NE8colource ntres in CVD-grow ndiam ondnanocrystal54-5 84.2.1Samplepreparati on56-574.2.2Observati

10、onofsingleNE8ce ntres in diamondnano crystal57-584.3Photolumi nesce nceexcitation( PLE)spectrumoft hesi ngleNE8ce ntre58-594.3.1Modificatio nontheexperime ntalsetup584.3. 2PLEspectrummeasureme nt58-594.4SingleNE8ce ntreun dercwexcitati onat765nm59-634.5Summary63-665TriggeredSPSbasedo nasi ngleNE8cen

11、tre 66-785.1I ntroductio n66-675.2Pulsedexcitati onsourceat765nm67-685.3Si ngleNE8ce ntreu nderpulsedexcitation68-735.3.1Spectrala nalysis695.3.2E missi on lifetimemeasurement695.3.3Excitati on saturatio n69-705.3.4Autoc orrelati onfun ctio nwithasin gleNE8ce ntre70-735.4Photod yn amica nalysisunder

12、pulsedexcitation73765.4.1”On/Offdynamicsyste757.4.2Photol uminesce ncequa ntumyieldefficie ncy755.4.3lmproveme nti nthedetectio nefficie ncy75-765.5Summary76-786S in gle-phot onin terfere ncewithaFresnel sbiprism78-926.1I ntroductio n78-806.2SPSusedi ntheexperiment80-826.2. 1N-Vce ntresi ndiamo nd80

13、-816.2.2Samplepreparation81-826.2.3Triggered SPSbased onN-Vce ntres in diam ondnanocrystal826.3Wave-likebehaviorofa sin glephoto n82-876.3.1Observati onofi nterfere ncefri nges82-846.3.2Datafi ttin gofthe in terferencepattern84-856.3.3Dista nce-depe nden ti nterfere ncepatterns85-876.4Particle-likeb

14、ehaviorofthesi nglephoto ns87-906.4.1Photodetecti on timestampseque nce87-886.4.2 Inten sitycorrelati onm easurement88- 906.5Summary90-927Delayed-choiceexperime ntwithsi nglephotons92-1067.1I ntroductio n92-947.2Experime ntalsetup94-967.2.1lnteferometerdescirab-论文塩表吉欣riptio n94-967.3Wave-particledualityofthesi nglephoto n96-997.3.1Wave-likebehaviour96-977.3.2Particle-likebehaviour97-997.4Realizatio no fdelayed-choiceexperime nt99-1037.4.1Qua ntumra ndomnu mbergenerator99-101 7.4.2Timi ngoftheexperiment101-1037.4.3Delayed-choicewithsi nglephotons1037.5Summary103-