（光学专业论文）回音壁模式微腔量子电动力学的实验研究.pdf

摘 要 摘摘 要要 随着人类社会的日益发展，对信息的传播和处理提出了更高的要求，而传统 的计算机已经不再满足，此时，新兴的量子信息学受到越来越大的关注。量子计 算作为量子信息中的研究之一，能够解决一些经典计算机无法解决的问题，具有 重大的现实意义。过去的几十年，不断有各种物理方案被提出来用于实现量子计 算，其中基于腔量子电动力学的方案被认为是最有希望的方案之一。它可以提供 一个理想的平台进行量子态的调控，且随着微加工技术的发展，可往集成小型化 方向发展，因而具有广阔的前景。本文以实现量子计算为目标，围绕微腔量子电 动力学，分别对微腔以及量子点的单粒子体系展开一系列的工作，并结合两者， 初步开展了腔量子电动力学的实验研究。具体有以下几个主要内容： 1搭建了固态光学微腔的实验体系 该体系包括：a)可以制备出尺寸(10100微米)可控的微球腔，品质因子(q) 高达 108以上；b)通过氢氧焰拉制的光纤锥耦合波导，最小直径可小于 1 微米， 可以实现对各种微腔的高效耦合，其耦合效率达 99%以上；c)以光纤锥耦合作为 一种新的探测手段，可以实现与微球腔、微盘腔、微芯圆环腔甚至多边形微腔的 各种应用。 基于良好的实验制备和优秀的耦合技术， 我们分别在微腔以及光纤锥的光学 输运性质，后期调节以及其它应用方面开展了系统的研究。我们与国际小组分 别独立观察并解释了高品质因子微球腔中的振铃现象；通过光纤锥对微腔中模 式的调谐，实现了单个微腔中的类光学诱导透明；在微腔的表面涂覆上增益介 质，实现了低阈值微腔激光器；我们通过后期的刻蚀和镀膜方式对微腔的模式 进行了有效调制，这些调制方式将会在传感以及微腔量子电动力学的研究中得 到广泛应用。此外，国际上首次通过对普通的微球腔进行co2激光的短脉冲处 理，得到了保持高品质因子的变形微球腔，具有很好的方向性发射，在此基础 上，我们对变形微球腔进行了更多性质的研究。进一步，我们还扩宽了光纤锥 的应用，首次实现光纤锥对金属纳米线的有效耦合，最高的耦合效率达58%， 远远高于通过自由空间光斑散射所激发的表面等离子体模式。这些方面的实验 研究， 奠定了我们利用微腔及其它微纳光学结构实现量子信息处理的良好基础。 摘 要 2完成单光子光源的检测 为了实现物质与微腔的强耦合相互作用， 单个粒子体系的发光过程就很值得 关注。 因此， 我们完成了检测单光子光源的实验体系， 分别对量子点cdse/zns 以 及金刚石中的nv色心的单光子发射进行了相应的实验研究，得到有效的单光子 光源。在此基础上，将量子点分别置于二氧化硅薄膜和金膜表面，较深入的研究 了不同薄膜介质对量子点的荧光衰减、荧光闪烁等产生的效应，实验发现金属表 面等离子体可以提高量子点发光效率，有效压抑闪烁现象，获得的结果对在实验 中实现高效率以及高质量的单光子光源很有参考意义。 我们还通过单光子的检测 装置，确定在微腔表面成功黏附了单量子点或单nv色心，这一结果对于我们下 一步的实验中实现两者的强耦合提供了参考。 3实现微腔与量子点的耦合 将量子点或含有nv色心的纳米颗粒黏附到微腔上，我们能够观察到光学腔 模对发光调制的现象，即purcell效应，这只是两者的弱耦合。为了满足两者的强 耦合条件，需要在低温系统下进行实验，以降低量子点或nv色心的非均匀加宽。 因此，我们将光纤锥与微腔的耦合体系转移到低温腔内，初步完成了低温下微腔 对量子点发光过程调制的实验， 使我们对于微腔单光子源以及基于原子与腔强耦 合的量子逻辑门研究向前推进了一步。 关键词：关键词： 微腔，回音壁模式，单量子点，腔量子电动力学，低阈值微腔激光器，变形腔方 向性发射。 abstract abstract with the development of human society, the requirement of the transition and processing of information is becoming more and more prominent. at this time, the quantum information processing investigates fascinating issues at the foundations of computer science and quantum mechanics. quantum computation, which is based on principle of coherent superposition and quantum entanglement, can solve certain problems that are hard for conventional classical computer and have great significant for our life. for decades, many physical schemes have been proposed, among which cavity quantum electrodynamics (qed) is thought to be a very promising physical system. the cavity qed, which can provide the control of quantum bit, have the bright prospects with the developing of nanotechnology and integrated on the chip. my work listed below focuses on the experiment of cavity qed which includes the whispering gallery mode microcavity and the single emitter, e.g. quantum dot (qd). 1. set up the experimental system of the microcavity and tapered fiber the system includes: a) the microsphere is fabricated with the diameter ranging from 10m to 100m and the quality factor higher than 108. b) the fiber taper is fabricated by the hydrogen flame heating (with a waist less than 1m) to effectively excite the modes in microsphere. c) with the coupling of the tapered fiber, we can use it to excite the whisper-gallery (wg) modes in the microsphere, microdisk, microtoroid, and zeolite cylindrical microcavity with hexagonal cross section. base on the fabrication and measurement platform, we have studied the coupling between the microcavity and tapered fiber, and the application of the microcavity especially for the cavity qed. in the high-q microsphere, we have observed the ringing phenomena and successfully explained it in theory. we have demonstrated the eit-like effect in a single microsphere which caused by the interference of two wg modes using the tuning of the tapered fiber. we also have got the low-threshold microlasing in the high-q microsphere coated the er:yb phosphate glass layer. with the hydrofluoric etching or polymer coating, we also have tuned the modes in the abstract microcavity. it has wide applications in sensors and experiments of the cavity qed. in addition, we have developed the free space coupling with the deformed microsphere which is easily fabricated by the short co2 pulse heating. it would be good for our research with the experiment of low temperature. in addition, we present the coupling of light into ag nanowires from the fiber taper. our demonstration offers an efficient method for the application of microcavity and promotes the realization of quantum information processing. 2. study of the single photon emitter towards the application in cavity qed, single emitter such as quantum dot and nv center in diamond is more attractive. we have set up the hanbury-brown-twiss system to demonstrate second-order correlation and detailed researched single photon emitting. cdse/zns colloidal quantum dots generally exist as blinking phenomena which can be effectively modulated on the different material surface. it is shown to obviously suppress the blinking of cdse/zns on the au film. this method presents the potential application for high-speed single photon sources. we also have observed the single emitter through the hbt experiment when the qd or nv nanoparticle adopted on the surface of the microcavity. 3. the coupling of qds and microcavity when the qds adopted on the surface of the microsphere, modulated photon emission from qds have been observed, which is proved to reveal purcell effect. it is just the weak coupling between the qds and the microcavity. we moved the system into the low temperature. now, we are researching the strong coupling in the qd-microcavity system in the cryogenic chamber. the experiment can be referred in further application of quantum dot in our system, which will be of greater use in our future implementation of quantum logic gate. key words: microcavity, whispering gallery modes, single quantum dot, cavity quantum dynamics (qed), low-threshold microlaser, direct emission of deformed microcavity. 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。 与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定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，可以将学位论文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、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：_ 年 月 日 第 1 章 绪论 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 量子信息简介量子信息简介 “埃尼阿克”(electronic numerical integrator and calculator，eniac)是世界 上第一台计算机。自 1946 年被美国宾夕法尼亚大学埃克特等人研制成功后，电 子计算机的发展可说是一日千里，从一开始占地面积 170 多平方米，重量约 30 吨的电子管计算机到晶体管计算机， 之后的集成电路计算机再发展为如今只有几 公斤的大规模集成电路计算机，这给人类社会的生活带来了极大的方便，成为现 在这个知识与信息时代最重要的推动力。但随着半导体技术的高速发展，intel 公司的创始人摩尔提出的摩尔定律将预示着计算机芯片元件的尺寸正朝着纳米 级迈进。直观地说，当电路集成密度很大时，芯片发热等副作用逐渐显现，电子 的运行也难以控制，就会出现量子物理所描述的量子干涉效应，半导体晶体管将 不再可靠，破坏传统计算机的芯片功能。 如果要使摩尔定律继续成立，突破半导体芯片元件尺寸的极限，可能的解决 方法就是找出一种全新的计算体系。于是，量子信息科学(quantum information) 这一崭新的学科应运而生。量子信息科学是利用量子体系的独特性质对计算、编 码、信息处理和传输过程给予新的诠释和运用，开发新的更为有效的信息处理功 能的一门学科。它与经典信息最根本的区别在于其利用的是量子叠加性原理，可 以完成经典信息操作中无法完成或者很难完成的任务； 量子信息科学的核心目标 是实现真正的量子计算机和绝对安全的可实用化的长距离的量子通讯。目前，长 距离的安全量子通讯研究已经接近到实用化的程度1，但关于量子计算机的研 究还处于初步阶段， 但它以其独特的魅力吸引着越来越多的科学家加入到这个研 究领域。 量子计算机(quantum computer)是一类利用量子力学规律进行运算、存储及 处理量子信息的物理体系。量子计算机的概念最早源于上世纪六、七十年代为克 服计算机中的能耗问题而对可逆计算机进行的研究。对于现有的传统计算机技 术，芯片的发热会直接影响芯片的集成度，从而大大限制了计算机的运行速度。 经过大量的研究发现，能耗来源于计算过程中的不可逆操作。只有量子力学中的 第 1 章 绪论 - 2 - 么正变换， 才能真正地实现可逆操作。 美国著名物理学家理查德费曼(r. feynman) 发现当模拟量子现象时，庞大的希尔伯特空间会使资料量也变得非常庞大，一个 完好的模拟所需的运算时间甚至是难以想象的天文数字。他当时就想到，如果用 量子系统构成的计算机来模拟量子现象， 则相应的运算时间可以得到大幅度的减 少。在此基础上，1985 年，英国牛津大学的 d. deutsch 初步阐述了量子图灵机 的概念2，并且指出量子图灵机可能比经典图灵机具有更强大的功能。尤其是 贝尔实验室的应用数学家 p. shor 提出了开启量子计算的新阶段的利用量子平行 算法实现大数因子的量子化算法3，并且在束缚离子系统中实现了四量子比特 的逻辑门，看到了量子计算的可能性4，此时量子计算机的研究才走入大家的 视野，成为数学家、物理学家以及计算机专家共同关心的交叉领域研究课题。 比特(bit)是如今经典信息学的基本单元，它可以是两态体系中可识别的任何 一个，比如可以利用计算机中电容平板间的电压来表示，高电压表示 l，低电压 表示 0。 类似的， 单比特信息也可以用原子的两能级或者光子的两偏振态来表示。 量子信息和量子计算建立在类似的基本单元上，称为量子比特(quantum bit， qubit)，它与经典比特最本质的区别在于，量子比特的状态可以表示成两个逻辑 态的线性组合，称为叠加态(superpostition)， 01 01cc=+，其中 c0与 c1是 复数，满足| c0|2+| c1|2=1，是逻辑态系数的归一化条件。特殊的状态 |0和 |1 为计算基态，可以张成向量空间的一组正交基矢，因此单量子比特就是一个二维 的希尔伯特空间(hilbert)。对于具有 n 个量子态的体系，可以张起一个 2n维的 hilbert 空间， 量子计算就是对每个叠加分量的变换相当于进行一种经典计算， 所 有这些经典计算可以同时完成，并按一定的概率叠加后输出最终结果，由此带来 了经典信息无法比拟的优越性，即量子并行运算。 在实际的物理体系中， 任何得两量子态原则上都可以用来作为量子比特的制 备，较常见的有：光子的偏振正交态( |h与 |v) ，原子或量子点的能级，电 子自旋等。基于当前的科学条件与技术手段，距离实现可实用化的量子计算机还 有非常大的困难，但是己经有一些小组的实验体系实现了操控少数几个量子比 特，比如束缚离子阱体系(ion trap)5-7，超导约瑟夫森结体系(josephson junction)8, 9，中性原子体系(neutral atom)10-14，基于线性光学的量子计算 (linear optics)15-17，大量原子的系综方案(atomic ensemble)18, 19，核磁共 第 1 章 绪论 - 3 - 振(nuclear magnetic resonance，nmr)20，硅基材料的半导体实验体系21，量 子点(quantum dot)22-24，腔量子电动力学方案(cavity quantum dynamics, cavity qed)25-31等。很难说这些方案中哪个应用前景更大，也许在不久的将 来，最后进入实用的是一种全新理念的设计。 腔量子电动力学是研究较早发展速度较快的方案， 也是目前而言被认为最有 前途的方案之一。这也是我博士期间主要的实验目标。在下一节中，将较详细论 述腔量子电动力学以及在量子信息处理中的应用。 1.2 腔量子电动力学腔量子电动力学 基于光和物质相互作用的量子计算体系中， 如何提高两者的相互作用强度是 一个非常重要的问题。腔量子电动力学的研究表明，物质中偶极子的自发辐射会 受到特定边界条件下量子化的电磁场的调制。比如原子或离子置于微腔中，由于 腔量子电动力学效应，其自发辐射速率在光场与腔模匹配时将会得到大幅提高、 与腔模失谐时受到抑制，这就是早在 1946 年 purcell 就提出的这一有趣效应，即 purcell 效应32。 之后，激光的问世，不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导 致整个一门新兴产业的出现， 同样对于腔量子电动力学实验的研究产生了巨大的 影响；在理论方面，jaynes 和 cummings 于同时期提出了一个重要的理论模型 j-c 模型33，这个模型首次明确阐述了一个二能级体系和一个单模腔场之间的 相互作用的动力学过程。这一节便是先介绍一下基本的 j-c 理论模型，然后介绍 一下腔量子电动力学的进展。 1.2.1 1.2.1 jaynes-cummings 模型 模型 j-c 模型是进行腔量子电动力学研究的最基本的物理模型，考虑一个二能级 的原子体系和一个单模的腔场，两者的相互作用哈密顿量可以表达成如下的形 式： 0aci hhhh=+ (1.1) 其中 ha、hc分别为原子和腔模的自由哈密顿量，hi为原子与腔场的偶极相互作 用量。旋波近似下，这个表达式最终可以写成33 第 1 章 绪论 - 4 - 0 () ac ha ag aa + =+ (1.2) 方程中的a、c对应于原子的跃迁频率和腔场模式的共振频率；算符a+和a是 单一腔模的产生和湮灭算符；+与是原子的上升和下降算符；g代表原子与腔 场模式的耦合强度。 图1.1：原子与微腔的耦合系统。一个两能级原子和腔内光场模式以耦合强度g 产生相互作用，为腔的损耗速率，为原子跃迁到非共振能级的速率。 通过j-c模型表达式的计算， 考虑简单的共振情形(a=c)， 可以得到两个本 征值： , () nf eng n =? (1.3) 这组本征值在频谱上的表现为相应的能级劈裂为两个新的能级，劈裂的大小为 2eg n=。对于第一激发态(n=1)来讲，劈裂大小就是2g，也就是通常意义上 的真空rabi分裂。 这个方程所描述的原子和腔的系统并没有考虑系统自身的损耗。 而对于实际 系统，必须考虑腔模耗散以及原子本身与泄漏腔模和局域真空场的耦合。腔模的 泄漏速率与微腔的品质因子q的关系为/(2q)；并定义自发辐射耗散到非腔 模电场的速率为(如图1.1所示)。 在heisenberg表象下，引入耗散项之后，原子的偶极动量和极化强度可以写 成下面的方程34： ( ) , ( ) . dt ig dt dt ig dt = = (1.4) 第 1 章 绪论 - 5 - 假定(t)和(t)具有et的形式，解得这组方程的本征值是 () 2 2 ()/2/4g = + (1.5) 在此方程中我们可以看到，对于g、这三个参数不同的大小关系，可以定义 出两种完全不同的耦合区域： 1. 当g?(, )时，这时原子与腔的体系工作在弱耦合条件下。在弱耦合的 状态下，腔模及原子的衰减仍为指数衰减，但衰减速率会受到调制，又因为具体 的参数差异而分为两种状况：坏腔极限和好腔极限35。 在坏腔极限下(?g2/?)，原子偶极子的衰减速率简化为=(+g2/)， 由此看出除了原有的衰减速率，还多了一项由于微腔存在而引起的耗散g2/， 因此偶极子的衰减速率被加强了，相应于原子具有更短的辐射寿命。这种增强效 应可以用purcell因子32来描述fp=(g2/a)(/2)=(3q/4)(3/veff)， 其中a为爱因 斯坦系数，为出射光子的波长，veff为有效的腔模体积。 在好腔极限下(?g2/?)，调制后的腔耗散强度为=+ng2/，由此看出， 腔模的线宽将加宽，品质因子会降低，其中n为腔内全同原子的数目。 2. 当g2?时，这时原子与腔的体系工作在强耦合条件下。工作在这个区 域的原子偶极子发出的光在泄漏出微腔之前，可以被原子再次吸收；原子的自发 辐射过程将从原来的不可逆转变成光子在腔模和原子之间被往复释放和吸收， 这 就是强耦合状态。相对于方程描述而言，将会出现虚部 rabi ()/2i = + (1.6) 其中rabi=g2-(-)2/4 1/2为真空拉比频率。在频谱上，该耦合的原子-微腔体系有 两个新的共振峰，间距为2rabi，如图1.2所示；偶极子的动力学演化也不再遵 守指数关系，而是在时间谱上表现为振荡形式。此外，强耦合体系的描述，还有 常见的反交叉(anticrossing)36， 关于这方面的研究已经成为近些年来的热点22, 28。 第 1 章 绪论 - 6 - 图1.2：强耦合下的频谱分布。 1.2.2 腔量子电动力学的实验进展 1.2.2 腔量子电动力学的实验进展 自七十年代以来，purcell所预言的自发辐射增强现象相继从微波(microwave) 到光波37, 38， 从有机分子到半导体量子点39, 40均都科学家们观测到。purcell 效应只是偶极子与腔模的弱耦合，而当两者的耦合足够强时，出射的光子会在泄 漏出微腔之前可以被腔内的偶极子再次吸收，循环往复，形成两者能量的相干传 输。因此强耦合非常有效的提供了偶极子与光子的相互作用，在此基础上有科学 家就提出了基于腔量子电动力学的两量子比特通用门来实现量子网络操作的方 案41。目前关于腔量子电动力学的研究主要分为微波腔rydberg原子42和光 学腔-原子(量子点、nv色心等)两类方案43。 下面将简单介绍光学微腔与可实现量子计算有关的实验进展， 以及针对可扩 展量子计算的基于半导体工艺的微腔研究， 或许该技术会使未来大规模集成的量 子逻辑芯片成为现实。 另外， 微腔的思想也被广泛采用在如超导的其他领域44， 也呈现了很美好的前景。 对于量子逻辑门的构建， 在实验上首先要做的就是在光学微腔中实现单个原 子和腔场的强耦合相互作用。 目前比较典型的腔量子电动力学实验装置由磁光阱 (mot)和法布里波罗光学腔(fabry perot)构成45。从实现量子逻辑门出发，我们 更希望在逻辑门操作时间内腔中的原子能够固定在腔中。 因此各种基于腔的原子 冷却和捕捉46方案被提出并相继实现。2004年加州理工大学的kimble小组利 用新型的拉曼(raman)冷却方法，解决了冷却原子轴向运动的难题。他们将单个 铯原子(cesium, cs)囚禁在亚波长的尺度内长达3秒，并观察到它的真空拉比劈 detuning，p=p-c 第 1 章 绪论 - 7 - 裂(vacuum rabi splitting) 47。 随后德国马普所g. rempe小组在相似的体系下利 用铷原子(rubidium, rb)也得到了类似的实验结果48。 (i)(ii) 图1.3：(i) 典型的光学f-p腔量子电动力学实验装置示意图；(ii) 拉曼冷却单原 子时得到的真空拉比劈裂47。 其他有趣的量子光学现象在单原子与光学微腔的强耦合基础上成为了可能， 例如确定的单原子激光发射49，光子阻塞效应(photon blockade)50。这种类似 低温下金属或半导体中电子的费米子库伦阻塞效应， 在量子信息各个领域的应用 前景将会非常广阔。2007年g. rempe小组利用f-p腔和多能级原子产生纠缠的 光子bell态51，最终能产生保真度高于80%的| 态，这是利用微腔在量子 调控方向上取得的很大进步。 但是如果考虑量子计算的可扩展性，现在的传统光学微腔将面临很多困难， 扩展多个量子比特需要更多的光学微腔，使体系变的非常复杂，操控起来非常困 难，也面临难以大规模的集成的问题。为此众多研究小组将目光转移到新的光学 微腔体系。目前基于回音壁模式微腔和光子晶体缺陷微腔52的研究较为热门。 以回音壁模式微腔为例，这种腔具有极高的品质因数(q)和较小的模式体积(v)， 原子与光场的相干相互作用强度得到进一步的增强。 此外基于传统的半导体刻蚀 工艺的回音壁模式的微腔，可以很容易实现规模化、小型化的集成芯片。因此目 前研究回音壁模式的微腔与偶极子的相互作用已经成为国际上研究腔量子电动 力学和量子信息的一个热点25, 28, 29, 53。 第 1 章 绪论 - 8 - 图1.4：目前常见的几种微腔，有传统的f-p腔，回音壁模式微腔以及光子晶体 腔来自文献52。 在研究回音壁模式微球与原子的相互作用时，同光学f-p腔一样，首先要实 现的是两者的强耦合。2006年加州理工的kimle和vahala小组联合，首次实现 了铯(cs)原子与品质因数高达108的微芯圆环腔(microtoroid)的强耦合25。在此 基础上，该微腔中的光子阻塞效应也由kimble小组首次观测到27。在他们的 实验中，单冷原子都是从cs原子团自由下落时，经过微腔外面的倏逝场时与腔 模产生强耦合，完成整个实验，如图1.5(a)所示。每个原子穿过腔模的时间大约 为2s，非常的短，因此整个实验非常复杂，探测要求非常高。与此类似的，其 他研究小组，利用量子点53或者金刚石中的缺陷nv色心29来替代单原子， 黏附在微球腔表面，从而实现与腔模的强耦合，这相比于飞行的原子，能够较稳 定的进行长时间的测量，但是可扩展性还是非常的局限。 (a) (b) 图1.5：(a) kimble小组用铯原子和微芯圆环腔实现强耦合25；(b) o. painter 小组基于量子点gaas微盘体系的强耦合实验28。 第 1 章 绪论 - 9 - 基于半导体材料的微腔中，a. kiraz 等人在gaas材料的微盘腔中观测到了 单个inas量子点，但没有得到两者的强耦合，只是弱耦合下的purcell效应54。 2005年，法国的peter 等人在algaas材料的微盘腔中实现了单量子点gaas与 腔模的强耦合， 随温度变化， 在荧光光谱上非常清楚地观测到了反交叉现象55。 o. painter小组在2007年在生长有单个铟砷 (inas) 量子点的镓砷材料 (gaas) 上制备了高品质因数的微盘腔， 并首个报道了在强耦合条件下的单粒子对入射光 子产生的非线性效应 28。 同样基于半导体工艺的光子晶体微腔，其模式体积更小，同样可以观察到量 子点与腔模的强耦合56以及光子阻塞效应57。并且可以利用腔内的单量子点， 在两者实现强耦合的条件下实现单量子点激光出射， 并且用来研究非经典光源的 性质58。 由于自组织的半导体量子点可以完全固化在微腔中的， 且能通过半导体加工 工艺将单个量子点确定性的置于微腔的某一位置，最终实现两者的强耦合，因此 该方法将可能成为可扩展固态量子逻辑门的主要技术实现。 图1.6：a. imamo lu小组在gaas光子晶体微腔中实现与单个inas量子点的强 耦合56。 腔量子电动力学，能够提供物质与光场的相干耦合，可以作为实现量子计算 方案的重要手段。目前微纳加工工艺的飞速发展，使得光学微腔以及微腔与量子 点的研究日趋成熟，可以想象在不久的将来，同现在使用的计算机一样，量子计 算机也就是集成在各种芯片上的大规模的固态微腔阵列， 其量子比特就是基本单 元，包含单个微腔及固化在腔内满足强耦合的二能级体系(量子点，nv色心等其 第 1 章 绪论 - 10 - 他粒子)；连接基本单元的就是可以传输光子光波导，作为系统的总线，这便是 我们对可扩展量子计算59以及远距离量子通讯60的设想。为此，我们组在该 领域进行了几年的研究。下面章节就以回音壁模式的光学微腔的理论，实验以及 与量子点等相互耦合的展开叙述。 第 1 章 绪论 - 11 - 参考文献 1 x.-f. mo, b. zhu, z.-f. han, y.-z. gui, g.-c. guo, opt. lett. 30, 2632 (2005). 2 david deutsch, proceedings of the royal society of london; 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