項目名稱： 固體系統中光與物質強耦合作用的量子調控研究 首席科學家： 王雪華 中山大學 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部門： 教育部 一、研究內容 隨著固態器件朝著低維、小尺度方向快速發展，信息 處理單元將會很快縮小至原子尺度量級 ,基本量子特性 量子相干性 在信息的存儲、傳遞和處理過程中起著核心的作用 。 要實現真正意義上的量子信息處理，首先必須解決量子比特系統的可拓展性問題，固態量子系統在解決這一問題方面具有天然的優勢 。 在 固態量子信息領域， 量子 電子體 系與光 子 之間的 量子相干 信息 交換是量子信息處理 和傳播的關鍵 所在 。 然而 ,固態量子系統中的退相干效應比較嚴重， 在信息交換與保留的時間尺度 維持 量子 系 統中的 量子相干態 是主要的挑戰 。克服這一挑戰的 關鍵 就是在固態系統中實現光子與量子 電子 體 系的強相互作用，在強相互 作用區，不僅可以調控電子的量子態性質，還可調控光子的量子態性質以及 非線性光學效應。 因此， 本項目擬解決的若干關鍵科學與技術問題如下： （一）擬解決的關鍵科學與技術問題 1、 準確 調諧功能微納電磁介質中量子電子系統與局域光子模 在空間上和能譜上產生共振強 相 互 作用 ，為此，需要發展能準確模擬光子局域模 與量子電子系統相互作用的數值計算方法和 開發功能微納結構的新型探測和表征系統。 2、 探明基于 金屬納米結構表面等離激元 效應的光子與量子 電子 系統 相互作用的 物理機制 ， 尋找基于表面等離激元效應 的 快速、高效 單光子探測的新方案 ，發展 具有 高效 非線性光學增強 效應 的納米金屬和介質復合結構 的 制備 技術。 3、 實現 固態量子系統中強 相互作用 條件下超快激光 操控載波 蕩、孤子脈沖產生等非線性效應 ，發展超高時間分辨、超高靈敏的超快動力學探測技術，利用飛秒整形脈沖實現自旋相干態的亞皮秒超快旋轉操作。 4、 發展 多周期量子點層 微納 結構的精 確生長技術 , 探索該 結構 中光子與共振激發介質的相干耦合，利用超快量子光學效應實現 光子 緩存； 依據耦合的量子體系，進行光量 子的反饋自學 控 制 ， 制備和演示 光 量 子 操控的 功能性 原 理 器件 。 （二）主要研究內容 固態系統中光子與電子強相互作用是保持 量子相干 性的關鍵，而 光量子操控是實現量子信息交換的關鍵。我們將從 三 條不同的途徑研究固態系統中光與物質強相 互作用 的實現方法及其固態量子調控原理，同時就光量子操控這一共性問題開展研究。主要研究內容如下： （ 1） 固態功能微納電磁介質中光 子 相互作用的量子調控研究 。 發展位置依賴的光 子 態功能微納電磁介質中 量子光輻射特性和其它量子光學性質；探索 層狀微納 周期、準周期和特異介質（ 缺陷態、表面態及界面態與 量子 電子 系統 實現 共振強耦合作用 的 實驗 方法和控制手段； 研究 在強藕合條件下 電子與光子 量子相干態的動力學演化 ，探索含量子點的固態藕合多微腔結構的可擴展量子比特糾纏新方案，以及波導 研究 高精 度、低成本 、能大批量制備 層狀微納結構 材料與器件的納米制備工藝與技術 ， 以及 層狀 微納結構及其器件光電特性的新型測試技術和表征方法。 研 究電光晶體產生高亮度糾纏光子源的方法以及在量子密碼通訊中的應用。 （ 2）基于表面等離激元效應的光子 研究金屬及介質 展基于 表面等離激元效應的光子與量子電子系統相互作用的量子理論， 研究 與表面等離激元相關的量子光學新現象； 探索基于 金屬 微納結構 表面等離 激元效應的量子相干性保持轉移 的物理機制和提高單光子探測效率的新方案；研究基于表面等離激元場增強特性誘導的非線性光學效應機理和增強介質非線性光學特性的方法，探索控制光對信號光的調制規律；發展能精 確制備亞波長尺度金屬表面微納結構，以及介質藝和技術。制備 功能性 表面等離激元微腔、波導結構，研究其中光輻射的收縮成束效應、高方向性和高極化特性。 （ 3）超短脈沖激光與物質相互作用的超快動力學及量子相干控制研究 。 發展 非慢變振幅近似和非旋波近似條件下周期量級超短脈沖激光與半導體微納結構相互作用的嚴格數值計算方法，研究 超快激光操控載波 蕩、孤子脈沖產生等非線性效應 ； 探索強耦合條件下超短脈沖激光控制超快動力學過程的新現象和新機制，研究飛秒脈沖激光與 子點電子自旋 的相互作用 及其 超快相干控制，探索量子點自旋相干態的超快旋轉操作 新原理 和 新 方法； 發展 超高時間分辨和超高靈敏的新型探測技術， 研究 半導體 微納結構中 載流子的 激發 、 弛 豫及超快激光操控 過程 ； 研究飛秒激光作用下微納結構 中 基于量子尺寸效應導致的吸收光譜、光致發光特性、表面拉曼增強效應等。 （ 4） 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性光量子調控器件研究 ： 研究多周期量子點層微納結構材料的能帶結構、 極化激元模 的穩態與瞬態光學特征，以及超短激光脈沖與周期排列的量子點層共振相互作用所導致的光子減速、存儲以及受控釋放等緩存過程；探索 利用 長 具有 尺寸、形狀、密度、應變以及周期性均勻的量子點層結構的 方法； 系統地發展基于相位空間調制器的多光束干涉技術研究制備層狀與立體結構的實時可調微納器件；發展基于自學控制、反饋控制以及基因控制的量子工程學控制理論和方法 精確制備出有重要應用價值的功能性光 量 子 調控 器件，如光子晶體波導 、 微腔 及其復合結構 等器件。 二、預期目標 (一 )總體目標 與量子調控 相關的量子生長、構造和控制技術關系到國家安全和未來高新技術的發展，將在國民經濟可持續發展戰略中占有極為重要的地位。本項目正是基于國家的這一重大戰 略 需求，提出探索固態系統中 光與物質強相互作用的調控機理、量子光輻射控制、可擴展量子糾纏的實現、非線性光學效應、量子態的存儲、量子態動力學超快探測和超快激光操控等的新原理、新方法和新技術。我們將采用理論和實驗密切結合的方式，攻克固態系統中光與物質強相互作用及其新型量子光電子器件中的重大科學與技術問題，為固態量子調控及其量子光電子器件奠定基本原理和關鍵技術基礎，取得原創性的自主知識產權，為我國在未來國際高新技術的激烈競爭中贏得一席之地做出重要的貢獻。此外，通過本項目的研究在量子調控領域培養國家杰出青年基金獲得者 1名， 全國百優博士論文（提 名） 1人次 ，博士后 6究生 110名；發表 60篇，發明專利 32項。 (二 )五年預期目標 1. 建立層狀微納結構、金屬納米結構中局域光場及 超短脈沖激光 與量子電子系統相互作用的量子理論，并發展出有自主知識產權的數值計算方法和數值模擬軟件。 2. 獲得通過平面固態微腔、金屬表面等離激元效應、 超短脈沖激光三條途徑實現光子與 量子 電子 系統 強 相互 作用 的 實驗 方法和控制技術，理解強藕合條件下 電子與光子 量子相干態的動力學演化機制。 3. 演示基于藕合微腔結構的多量子比特糾纏新方案，通過波導 效、方 向性好的單光子輻射， 研制出基于 表面等離激元效應的快速、 高 效 單光子探測 原理器件。 4. 發展 高精 度、低成本 、能大批量制備 層狀微納結構 、金屬納米結構及其器件的納米制備工藝與技術 ， 建立能探測和表征微納結構及其量子光電子器件性能的新型測試技術和表征方法。 5. 制備出性能良好的金屬 用 表面等離激元場增強特性誘導 的非線性光學效應實現 控制光對信號光的調制 ， 演示一至二個對信號光調控的原理 型 器件 。 6. 揭示超短脈沖激光量子相干控制及固態系統中超快動力學過程的新現象和新機制，利用飛秒整形脈沖 實現量子點自旋態 的 亞皮秒超快 相干旋轉控制 ，建立超高時間分辨和超高靈敏的新型探測技術 系統。 7. 利用 備出 周期性均勻的量子點層結構 ，通過這種共振介質中的自感應透明，拉比翻轉等量子效應實現光子的減速、存儲、釋放，演示 工作 在近紅外波段，調控時間 s 量級的光量子調控 原理型 器件 。 8. 建立基于逆向 設計與逆向 算法 的能自動 優化功能性微納 光電子器件設計與制作 的工程實驗裝置 ，一次性 制備出功能性光 量 子 調控 器件，如光子晶體波導 、 光子晶體微腔 及其復合結構器件 等 。 三、研究方案 (一 ) 學術思路、技術途徑 學術思路： 量子信息科學與技術是利用量子力 學原理對信息進行操控和傳輸，其本質就是量子態的調控。 要實現真正意義上的量子信息處理，首先必須解決量子比特系統的可拓展性問題，固態量子系統在解決這一問題方面具有天然的優勢，特別是基于現代微納半導體技術的固態量子系統， 其應用和最終產業化的可行性更高 。 然而 , 固態量子體系受周邊環境的影響比較嚴重 ， 抑制其退相干 ，維持其量子相干狀態遇到了更大的挑戰 。克服這一 挑戰的關鍵就是在固態系統中實現光子與量子電子系統的強相互作用， 在強相互作用區，不僅可以調控電子的量子態性質，還可調控光子的量子態性質 及非線性光學特性 。 因此， 本項目 的核心科學問題是要在固態系統中實現 光與物質的強相 互作用，克服環境的退相干影響， 從而 實現電子態、光子態的量子調控和非線性光學效應。 本項目將從 三 條不同的 途徑 研究固態系統中實現光與物質強相 互作用 及其量子調控的原理、方法和技術 ： （ i）通過 具有 強 非均勻 性 電磁 場分布的功能 微納 結構，如能產生光子局域模 的層狀平面光學微腔結構 和 能形成 界面模的 特異材料（ 微納結構 ； （ 通過 金屬納米結構及其介電材料復合結構中的表面等離激元效應，這種系統中有非常強的局域 場 增強效應； （ 通過超 短脈沖 激光與物質 的強相互作用。超 短脈沖 激光不僅可產生強耦合相互作用，同時還是量子態動力學性質的一種強有力的表征手段。 上述三個方面的研究都將 涉及 固態量子調控研究中非常重要的一個共性問題：即光量子的操控。 基于上述的三種相互作用途徑和一個共性問題的學術思想，本項目設立相應的四個課題組： （ 1） 固態功能微納電磁介質中 光子 量子 調控 研究 ，側重于量子光輻射控制和量子糾纏新方案的研究 ； （ 2） 基于表面等離激元 效應 的 光子 量子 調控 研究 ，側重于 量子光學與非線性 光學 效應 的 研究； （ 3） 超短脈沖激光與物質相互作用的 超快動力學及量子相干控制研究，側重于超快過程、相干效應及量子態 的 超快操控研究； （ 4） 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子調控器件 研究 ， 側重于 利用量子光學原理開展光子 緩存和 相關 功能性 光量子 調控 器件的研究 。 技術途徑： 首先，我們采用基于平面波展開的轉移矩陣方法、 數方法及時域有限差分法（ 發展強有力的數值計算工具，開發出一整套具有自主知識產權的數值計算軟件平臺，用于準確計算層狀微納結構中的光子局域態密度和光子 此基礎上，發展和推廣我們建立的位置依賴的耦合相互作用理論 ，研究層狀微納結構中新穎的量子光學現象。 根據所建立的模擬軟件，優化微納材料的結構參數和物質參數， 設計出功能微納結構（如高品質平面微腔）及其 相應的 光電子器件 。尤其是優化半導體發光二極管的結構，提高其發光效率；優化單光子發射器的結構，實現 快速、高效、方向性好的單光子輻射； 優化微腔和波導結構，實現光子 相互作用。在模擬各種微納結構及相應的電磁性能中，進一步優化模擬軟件，力爭將其推廣到市場上，填補我國在這方面的空白。 在層狀微納結構的制備上，我們將主要利用電子束直寫設備（ 150 電子膠上定義圖形，通過顯影出現二維圖形，然后利用反應離子束刻蝕設備（ 00相應的圖形依次轉移到預期的半導體高折射率層上。在這個過程中，主要需要克服的是： a)如何 在 提高電子束直寫速度的同時又不影響它的精度， b)如何使圖形不失真地轉移到半導體層上，在這方面我們已積累了一定的經驗。對于單量子點的定位和操縱，我們計劃采用 兩種方法，一種是先在半導體層上生長相應的量子點，然后通過標記確定量子點在芯片上的分布，再利用電子束直寫定義微腔，從而制備出存在單量子點的微腔，另一種方法是先制備微腔，再用納米操縱臂將量子點（利用化學方法生長的）移到微腔中的指定位置（我們已經在掃描電子顯微鏡上安裝了具有 2位 精度的納米操縱臂，能夠完成這樣的任務）。此外，還將利用納米球陣列掩模法、納米壓印法和激光全息和雙光子直寫等工藝定義納米結構。我們在納米球陣列掩模法和激光全息法定義和飛秒激光雙光子直寫微納結構上已經積累了豐富的經驗，我們將利用這些方法開 發出高速、低 成本 制備納米表面圖形的工藝技術，應用于各種功能微納電磁結構的制備。 在微納結構光電特性測試方面，建立獨特的微納結構測試系統。比如利用近場掃描顯微系統，探索將飛秒激光耦合進微納結構，同時控制飛秒激光的模式，同一時間內探測多個具有單量子點的微腔之間的耦合相互作用。在這個系統中，我們將利用多光纖探針和高倍顯微鏡同時觀察光與物質相互作用的時間演變和空間分布。 在“基于表面等離激元效應的光子 面，首先 建立不同納米金屬結構中光子與量子電子系統相互作用的哈密頓體系表示方法，理論上 研究通過人工操控的方法（外加電場或者磁場）改變相互作用系統的狀態，從而得到相互作用體系演化的內在機制。 采用平面波展開的轉移矩陣方法、時域有限差分法（ 工具數值計算不同納米結構附近的電磁場分布，確定研究體系近場和遠場的偏振特性、傳輸方向和強度等，為實驗研究提供理論依據。 在量子光學實驗方面，測量不同周期性結構的金屬材料對相干光關聯度的影響，研究在不同周期性結構的金屬材料中利用 表面等離子激元 效應 輔助 相干光 傳送過程中保持 空間相干性的物理過程 ,在此基礎上 分析 相干性 在光子和 金屬表面等離 激元之間量子特性保持及 轉移 的物理機制 ,揭示基于表面等離激元特性實現對量子態操縱與控制的新方法 。 在單光子探測器實驗方面， 利用電子束曝光方法制備不同周期性金屬微納結構，利用近場掃描顯微鏡探測不同周期性金屬微納結構在 極弱光 激發條件下產生的表面等離激元場強分布。 獲得 不同周期性金屬微納結構 的局域化能力和透射增強效果 ，結合現有的 崩二極管和完全擁有自主知識產權的雙門復合電路，最后給出實現高速高效的單光子探測器的方案，并演示原理器件。 在對信號光的調控實驗方面，首先制備由金屬和非線性材料組成的復合納米結構。用 二氧化硅作為襯底 ,用濺射或熱蒸發方式在上面鍍金屬薄膜 ,用電子束曝光方法在薄膜上制作納米結構。非線性材料由金屬顆粒和介質組成。制備非線性材料將根據介質材料的不同 ,使用不同的方法 ,有多靶旋轉式濺射法、離子注入法或貴金屬與聚合物溶液混合 ,通過甩膠固化等方式制成。 其次采 用掃描電子顯微鏡、原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡等表征形貌或內部結構。 采用 后用超短脈沖控制光和信號光同時照射復合結構，用近場掃描顯微鏡、 偏振片等測量近場和遠場的光場性能參數，發現控制光對信號光的 調制規律。并演示一至二個對信號光調控的原理器件。 在“超短脈沖激光與物質相互作用的超快動力學及量子相干控制 研究 ”方面，首先利用 中國科學院上海光學精密機械研究所 強場激光物理國家重點實驗室目前已經或將建立的多種達到國際先進水平的小型化超快激光系列實驗裝置，建立新型超快激光操控與表征凝聚態物質微結構與大分子體系及其超快動力學過程的超快泵浦探測實驗平臺。利用有限時域差分算法實現非旋波近似非慢變包絡近似下，能用于描述超短脈沖激光與半導體量子阱、周期性結構等具體材料相互作用的嚴格數值 計算軟件 。重點研究微納結構中大分子在 超快激光作用下電子態重組、原子分子重構以及非熱相變等動力學過程和規律、半導體納米結構中載流子動力學過程、超短脈沖激光誘導的激發態和亞穩態結構的功能響應原理；通過膠體化學、激光分解與退火等方法獲取高品質的量子點，用光學方法建立有效的電子自旋偏振度，通過時間分辨克爾或法拉第旋轉光譜來測量量子點電子自旋的超快動力學過程。利用脈沖整形系統、單色儀、偏振片等實現飛秒脈沖激光的 頻域 、相位、強度及偏振等多參數 的高精度 的自旋 操控 。利用飛秒激光與量子點強耦合作用產生的交流 應或者受激拉曼躍遷現象來實現自旋量子態的超 快相干控制。利用搭建的飛秒激光超快光譜探測實驗裝置，通過改變飛秒激光的各種物理參數，包括波長、功率、脈寬、輻照時間等，詳細研究飛秒激光作用下納米材料和納米結構的吸收光譜、光致發光特性、表面拉曼增強效應等隨激光各種參數的變化，分析得到材料高效率發光和表面拉曼增強的主要影響因素，理論解釋相關的實驗現象；利用飛秒激光直寫及輔助的化學鍍和化學腐蝕方法在納米微粒分散物系中，研制新型微光學、微電學及微流體多功能集成演示器件。 在“ 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子調控器件 研究 ”方面，理論上采用光與物質相互作用的量子光學 理論，研究超短脈沖激光在周期排列的共振激發介質中的自感應透明與間隙孤子等傳輸效應，以研究光量子的減速、存儲與受控釋放等緩存功能。 采用 “理論研究 仿真分析設計 材料生長研制 量子調控器件研究平臺建立 調控器件自旋電子、光子特性測試分析研究 調控器件性能完善”的技術路線，進行調控器件特性理論研究、材料設計生長的關鍵技術、材料及器件性能測量等技術難點研究。設計和研制出性能優良的調控器件樣品。具體步驟為：研究基于 多周期量子點層 微納結構 材料 量子調控器件的瞬態光學理論基礎，包括超輻射效應下微納結構 材料 能帶結構，非共振條 件下泵浦光激發的虛激子與光場的耦合，光學斯塔克效應及其對二維平面周期結構 材料 帶隙的作用；研究 多周期量子點層結構 量子材料特征頻率和量子材料的能帶關系；利用傳輸矩陣計算材料作為光子振蕩器的反射譜；結合實驗結論設計微納結構材料的結構和材料的組分。 利 用 術，生長 單層量子點或量子點多層結構，探索控制量子點尺寸、形狀、分布均勻性和密度的生長工藝。研究控制量子點的表面成核位置和成核的可控生長技術，采用圖形化襯底生長技術，解決直接用電子束、聚焦離子束帶來的損傷和雜質污 染等問題，將圖形化襯底和自組裝生長技術相結合，制備尺寸分布均勻，密度合適，空間有序性好，發光性能好的 多周期 量子點二維陣列。用電子束曝光法制備網狀 膜 , 在底上利用聚焦離子束技術 (光輔助濕法刻蝕相結合的方法制成圓形窗口，形成納米尺度圖形化襯底模板，然后再進行外延生長量子點層材料。還將利用量子點垂直耦合技術，應用多層垂直耦合的應變自組裝效應，得到空間有序性良好的量子點。采用 原子力顯微鏡 和 投射電子顯微鏡 對生長條件與量子點的尺寸、密度、形狀的關系進行研究。用光熒光譜、 熒光 激發譜、微探針熒光譜、陰極 熒光譜 以及 瞬態光譜 等技術 研究量子點激子的發光性質、光吸收性質、單量子點的發光性質、量子點發光的均勻性和載流子的壽命 ， 用電容譜對量子點的電子態及電子態的填充進行研究 ， 用 X 射線衍射、拉曼光譜對量子點的應力場進行表征分析并反饋于生長，為外延生長技術的改進提供快速信息反饋。 通過使用平面空間調制器設計合成出立體的空間光場分布，光場合成包括“確定性 ”的合成技術與閉環回路的自適應控制合成技術。在合成出特定光場分布的基礎上通過在感光材料中記錄所建立的光場以實現功能性光 量 子 調控器件 模板的制備，在可改變的記錄材料中通過控制激 發方式優化系統的輸出函數（例如熒光的定向發射）。為此，將根據光場分布的目標函數，通過逆向算法求解空間調制器的振幅與位相設置。對于自適應控制的光場合成技術， 其 控制方法 是 將一束激光通過空間調制器 ，實時改變其 振幅與位相 分布 。顯微系統和 測裝置 可 實時記錄所產生的光強分布。比較記錄的光強分布與理想目標光場，計算它們之間的偏離值，采用遺傳算法進行計算機數值控制，優化空間調制器的設置，獲得一個新的光場分布，再比較，再循環，直至 記錄的光場數值與理想值的偏差在誤差設定范圍內。這樣就可以通過自適應方法自動產生一個 設定的光場分布。 通過后續樣品處理方案，即可獲得功能性光量子調控器件。 (二 ) 本項目的特色與創新之處 本項目提出探索 固態系統中光與物質的強相 互作用，克服環境的退相干影響， 從而 實現電子態、光子態的量子調控和非線性光學效應。 研究固態系統中光與物質強相互作用的調控機理、非線性光學效應、量子光輻射控制、量子糾纏、量子態的存儲、量子態動力學超快探測和超快激光操控等的新原理、新方法和新技術。 如前所述，其中存在許多具有挑戰性的問題有待我們去攻克，國際上在該領域的研究正處在方興未艾的階段， 這為我們在這一領域開展原創性研 究提供了巨大的機遇。本項目在研究上的突破，將會極大的促進 新一代量子調控器件 及量子光電子器件的誕生，為我國在未來國際量子高新技術領域的激烈競爭中贏得一席之地做出重要的貢獻。項目特色和創新之處具體表現在如下四個方面： （ 1） 提出通過功能微納電磁介質中的缺陷模和界面模實現 固態 腔量子電動力學效應，進而實現可擴展的固態量子比特系統的新方案，以及利用波導 效、方向性好的單光子輻射的新思路。 （ 2） 基于 表面等離激元 效應的量子調控機理目前尚不清楚，具有相當的挑戰性；提出了基于表面等離激元 效應實現快速、高效 單光子探測的新方案 ，并利用 納米金屬和介質復合結構 中 非線性光學增強 效應 實現 低泵浦光對信號光的有效調制 ,有望在納米尺度全光網絡中的關鍵器件上取得突破。 （ 3） 利用周期量級脈沖激光與固態量子電子系統的強相互作用有望發現 超快量子相干控制 和量子態 超快動力學 演化 過程的新現象和新規律 ； 立足于具有長退相干時間的 并 首次提出利用飛秒整形脈沖來實現電子自旋的亞皮秒相干旋轉控制。 （ 4） 提出了 通過使用 多周期量子點層 的耦合量子體系實現 光量子調控器件新方案， 該 方案在器件的運行效率 和 緩存時間操控等 方面具 有巨大 的優勢。依據耦合的量子體系，進行光量子的反饋自學操控，可以發展 出 光量子操控的新原理與新技術。 (三 ) 課題設置 本項目由中山大學、華中科技大學、 中國科學院上海光學精密機械研究所 、北京郵電大學共同承擔。 本 項目的核心科學問題是要在固態系統中實現 光與量子系統的強相 互作用，克服環境的退相干影響， 從而 實現電子態、光子態的量子調控和非線性光學效應。 有 三 條 途徑 可在固態系統中實現光與物質強相 互作用 及其固態 量子調控 （ i）通過 具有 強 非均勻 性 電磁 場分布的功能 微納 結構，如能產生光子局域模 的層狀平面光學微腔結構 和 能形成 界面模的 特異材料（ 微納結構 ； （ 通過 金屬納米結構及其介電材料復合結構中的表面等離激元效應，這種系統中有非常強的局域增強效應； （ 過超短脈沖激光與物質的強相互作用。超短激光不僅可產生強耦合相互作用，同時還是量子態動力學性質的一種強有力的表征手段 。 上述三個方面的研究都將 涉及 固態量子調控研究中非常重要的一個共性問題：即光量子的操控。 基于上述的三種相互作用途徑和一個共性問題，本項目 設立相應的四個課題 組： 課題 1: 固態功能微納電磁介質中 光子 量子 調控 研究； 課 題 2: 基于表面等離激元 效應 的 光子 量子 調控 研究； 課題 3: 超短脈沖激光與物質相互作用的超快動力學及量子相干控制研究； 課題 4: 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子調控器件 研究 課題 1側重于研究功能微納電磁介質中光 子 與量子 電子 系統的相互作用基本原理、量子糾纏、量子光輻射控制和量子光電子器件性能的研究；課題 2側重于研究 金屬納米結構及其介電材料復合結構中的 量子光學與非線性光學效應；課題3側重于研究功能微納結構中超快激光與物質強相互作用機理，超快量子態操控和超快動力學探測；課題 4側重于 利用量子光學 原理開展光子 緩存和相關功能性光量子調控器件的研究 。 這四個子課題既有相互聯系和支撐，又各有不同的研究重點。 課題 1： 固態功能微納電磁介質中光子 課題承擔單位：中山大學 課題負責人： 王雪華 教授（中山大學） 主要學術骨干：金崇君 教授（中山大學） 佘衛龍 教授（中山大學） 賴天樹 教授（中山大學） 張佰君 教授（中山大學） 汪河洲 教授（中山大學） A、 研究目標 （ 1）發展位置依賴的耦合相互作用理論研究層狀微納結構中的量子光輻射特性， 開發出能準確模擬層狀微納結構中光子與量子電子系統相互作用強度及輻射光強分布的數值軟件平臺。 （ 2）利用 缺陷態、表面態及界面態設計并制備出具有高品質因子、超小模體積的單個平面固態微腔及藕合多微腔結構，獲得 準確 調諧量子 電子 系統與局域光子模 在空間上和能譜上 同時 產生共振強耦合作用 的 實驗 方法和控制手段。 （ 3） 理解 量子 電子 系統與局域光子模 在強藕合條件下 的電子與光子 量子相干態的動力學演化機制 ，探索基于含量子點的藕合多微腔結構的可擴展量子比特糾纏新方案 ，利用波導 效、方向性好的單光子輻射。 （ 4） 研究和發展 高精確度、低成本 、能大批量制備 層狀微納結構 材料與器件的納米制備工藝與技術 。 開發出新型的探測和表征 層狀 微納結構及其器件光電特性的測試技術和測試系統。 發表論文： 文 45 篇 申請專利：發明專利 8 項 人才培養：培養國家杰出青年基金獲得者 1 名，研究生 30 名，優秀博士學位論文獲得者（或優博提名） 1 名，博士后 1。 B、研究內容 (1) 層狀 微納結構中的電磁場是具有高度的非均勻性和很強的局域場增強效應的 功能電磁介質 ，因此，我們首先從理論上研究 層狀 微納結構中光子局域態密度的空間分布，發現和尋找最佳的光子與量子電子系統藕合相互作用位置及能級位置，開發用于提高量子光電子器件性能的微納結構的設計方法和模擬軟件 ，為 層狀 微納結構中的量子光輻射控制、新型量子光電子器件的制備奠定基礎。 (2) 在 層狀微納 周期、準周期和特異介質（ 中利用缺陷態、界面態及表面態原理設計并制備具有高品質因子、超小模體積的固態光學微腔，研究結構參數對腔模電磁場空間分布的影響。研究量子點的固態腔量子電動力學行為，以及基于平面耦合多 微腔結構的量子糾纏新方案。探索快速、高效、方向性好的單光子輻射最佳條件，為制備觸發式、可控單光子發射器奠定基礎。 (3) 研究和發展層狀微納結構新的制備方法和技術。主要探索制備具有超高品質因子和超小 模 體積固態 微腔 的納米制備工藝技術， 以及將單量子點固定在微腔中的納米操控工藝方法；研究利用膠體自組裝法和光學全息法以及飛秒激光雙光子直寫制備高效而簡易的納米表面結構的工藝技術 。 (4) 發展用于微納結構光電子器件的新型測試和表征系統。由于微納結構材料和器件的維度通常在微米量級或更小，光電相互作用的探測技術主要是基 于顯微鏡（光學顯微鏡，近場掃描顯微鏡、原子力顯微鏡等）的各種測試系統，由于存在定位、激光輸入耦合和輸出信號的探測等問題，本課題將致力于發展相應微納結構材料和器件的測試系統，比如量子糾纏態的探測等。 C、課題經費： 占項目總經費的 33%（其中含項目總經費的 5%為首席專控費）。 課題 2： 基于表面等離激元效應的光子 課題承擔單位：北京郵電大學 課題負責人： 肖井華 教授 （北京郵電大學） 主要學術骨干：于 麗 教授 （北京郵電大學） 張 茹 教 授 （北京郵電大學） 郎佩 琳 副 教授（北京郵電大學） 符秀麗 副教授（北京郵電大學） A、 研究目標 （ 1） 探索基于 表面等離激元 效應 實現光 子 與量子 電子 系統相互作用的新原理和新方法， 研究有效操控量子態 的 手段 , 發現金屬 納米結構中與表面等離激元相關的量子光學 新現象，如遠距量子糾纏態的實現和控制 。 （ 2） 弄清基于 金屬 微納結構 表面等離 激元效應的量子相干性保持 轉移 的物理機制 ， 研制基于表面等離激元效應的 高速 高效單光子探測器，展示 一至二種 金屬 微納結構表面等離激元 效應 在 量子信息 處理及其光電子器件上的應用。 （ 3） 利用 基于表面等離激元場增強特性誘導 的非線性光學效應 機理， 實現介質非線性光學效應的增強 ， 發現 控制光對信號光的調制規律 ， 演示一至二個對信號光調控的原理器件 。 （ 4） 發展出能精確制備亞波長尺度金屬表面微納結構，以及介質 藝和技術。制備出功能性表面等離激元微腔、波導結構，實現光輻射的收縮成束效應、高方向性和高極化特性。 發表論文： 文 35 篇 申請專利：發明專利 8 項 人才培養：研究生 30 名，博士后 1。 B、研究內容 (1) 發展 基于 金屬納米結構表面等離激元 效應的光子與量子電子系統 相互作用的 量子理論 ,分析基于 金屬表面等離 激元效應輔助傳輸的量子相干性保持及轉移 的物理機制 ， 研究基于 表面等離 激元特性的量子態操 控方法和 手段，發展 亞波長金屬光學器件 處理 量子信息的 新方案。 (2) 揭示不同 金屬納米 結構 中 表面等離激元的電磁場分布規律，發展調控光子激發表面等離激元特性的手段， 進而找到 基于表面等離激元效應提高單光子探測效率的新方案，給出功能性設計，演示基于表面等離激元效應的快速、高效單光子探測原理器件。 (3) 研究 表面等離激元場增強誘導的非線性光學 效應 機理 , 分析非線性介質材料組成和結構分布對非線性系數的影響 , 發現有效增強非線性特性的方法和手段。探索納米結構金屬和非線性材料組成的復合結構在控制光場和信號光場同時作用下，光場的性能參數對表面等離激元特性的影響 , 揭示控制光場對信號光場的調控規律， 探尋 基于表面等離激元 特性 的 亞波長光信息處理新方法。 (4) 發展各種能精確制備亞波長尺度金屬表面微納結構，以及納米尺度介質藝和技術。用各種物理的、化學的方法，如離子束曝光、化學腐蝕、催化劑生長等，精確地控制和構造金屬薄膜表面上的一維和二維調制結構，及金屬納米粒子的形狀和尺寸，制備功能性表面等離激元微腔、波導結構，研究 其 中光輻射的收縮成束效應、高方向性和高極化特性。 C、課題經費： 占項目總經費的 20% 課題 3： 超短脈沖激光與物質相互作用的超快動力學及量子相干控制 研究 課題承擔單位： 中科院上海光學精密機械研究所 課題負責人： 劉建勝 研究員 （ 中國科學院上海光學精密機械研究所 ） 主要學術骨干： 張敬濤 研究員（ 中國科學院上海光學精密機械研究所 ） 曾志男 研究員 （中國科學院上海光學精密機械研究所） 楊瑋楓 副研究員 （ 中國科學院上海光學精密機械研究所 ） 孫海軼 副研究員 （ 中國科學院上海光學精密機械研究所 ） A、 研究目標 （ 1）建立并發展能夠用于描述周期量級超短脈沖激光與半導體量子阱、體材料和周期性微納結構等介質相互作用的嚴格數值計算方法，揭示超短脈沖激光量子相干控制及 固態系統中超快動力學過程的新現象和新機制。 （ 2） 獲知以 子點為主的電子自旋體系的弛豫以及退相干時間，利用飛秒整形脈沖，實現頻域、相位、強度及偏振等多參數相干控制量子點自旋態，獲得亞皮秒的自旋超快相干旋轉控制。 （ 3） 在 操控微納結構中大分子體系及其半導體微納結構中載流子超快動力學行為、 超快瞬態相干效應 等交叉學科領域取得若干重大創新成果， 并 建立超高時間分辨和超高靈敏的新型探測技術等。 （ 4） 實現飛秒激光激發下新型納米材料與納米結構的光電性能，揭示其中的關鍵影響因素和物理機制； 利用飛秒激光微加工技術及輔助 方法在納米分散物系中制備新型的多功能集成演示器件。 發表論文： 文 40 篇 申請專利：發明專利 6 項 人才培養：研究生 20 名，博士后 2 B、研究內容 (1) 建立并發展非慢變振幅近似和非旋波近似條件下，能夠用于描述周期量級超短脈沖激光與半導體量子阱、體材料和周期性微納結構等介質相互作用的嚴格數值計算方法，探討超短脈沖激光量子相干控制載波 蕩、非線性激光光譜、孤子脈沖產生等瞬態相干效應，研究強耦合條件下超短脈沖激光控制固態系統中超快動力學過程的新現象和新機制。 (2) 探索以 主的量子點電子自旋動力學及其超快相干調控，一方面通過外場調控以及材料的選擇獲得盡可能長的自旋弛豫以及退相干時間，另一方面開拓研究 飛秒整形脈沖的 頻域 、相位、強度及偏振等多參數 的高精度光場操控 手段，研究飛秒脈沖與自旋 量子體系的相互作用 ， 探索量子點自旋相干態的超快旋轉操作的 新原理、新 方法 。從而在原理上進行 新一代以自旋為信息載體的低功耗、高速度、高集成度量子器件 的可行性探索 。 (3) 發展 超高時間分辨和超高靈敏的新型探測技術， 研究 半導體 微納結構中 載流子的 激發 、 弛 豫及 超快激光操控 過程。 探索在微納結構中大分子及凝聚態物質在超快激光作用下電子態重組、原子分子重構和非熱相變等的動力學過程和規律。 (4) 研究飛秒激光作用下微納結構的光電性能，包括基于量子尺寸效應導致的吸收光譜、光致發光特性、納米顆粒的表面拉曼增強效應等，并揭示實驗中所涉及的新現象和新規律；進一步將納米顆粒填充到微納結構中形成分散物系，研制新型的微電子學、微光學及微流體多功能集成器件，為制備新一代納米量子器件奠定基礎。 C、課題經費： 占總課題經費的 20% 課題 4： 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子調控器件 研究 課題承擔單位：華中科技大學、中山大學 課題 負責人： 陳長清 教授（華中科技大學） 主要學術骨干：周建英 教授 （中山大學） 王濤 教授 （華中科技大學） 蔡志崗教授 (中山大學 ) 吳志浩 副教授（華中科技大學） 楊光 副教授（華中科技大學） A、 研究目標 （ 1） 利用周期排列的 量子點層 共振介質中的量子光學效應獲得光子緩存的新原理與新技術；研究超短激光脈沖在共振激發的微納結構中的自感應透明，拉比翻轉以及間隙孤子效應所導致的光子減速、存儲、釋放等光子緩存功能；演示工作 在 近紅外波段，調控時間 s 量級的光量子調控 物理原 型 器件 。 （ 2） 利用 現多周期量子點層結構的精確控制生長 ，獲得尺寸、形狀、密度、應變以及周期性均勻的量子點層結構。 獲知 量子點中間帶 極化激元模 共振帶隙的瞬態變化特性， 建立 動態理論模型 ，并發展出實驗控制方法 。 （ 3） 建立基于逆向 設計與逆向 算法，并利用平面空間調制器獲取微納尺度的 平面與立體 光場分布的數 字 設計方法，提供通用的設計計算軟件 ， 建立 能自動優化功能性微納 光電子器件設計與制作 的工程實驗裝置； （ 4） 發展基于 自適應設計與 全息 光刻 的 功能性 模板 制備新技術 與后續加工技術 ， 一次性 制備出有重要應用價值的 功能性光 量 子 調控 器件，如光子晶體波導 、光子晶體微腔 及其復合結構 等。 發表論文： 文 40 篇 申請專利： 發明專利 10 項 人才培養： 研究生 30 名，博士后 2 。 B、 研究內容 (1) 研究 多周期量子點層微納結構 中光場與共振激發介質的相干耦合，研究固態超快量子光學效應（如固態自感應透明過程與拉比翻轉）所導致的 光子 緩存機制； 研究 多周期量子點層微納結構 中 的激子受微納結構調制所導致的超輻射效應，層間激子的光學耦合及其相干性，激子的相干輻射復合與激子退相干弛豫的關系，研究這些參數的瞬態變化特性以及共振非線性光 學效應。 (2) 探索原子尺度水平上薄膜生長中各種原子動力學過程，在原子尺度上揭示薄膜生長和原子團簇形成的各種微觀機制。通過原子速率方程所表示的生長動力學過程與系統趨向于低自由能位形的熱力學過程來研究和確定系統的生長模式， 控制 量子點的尺寸和密度分布 。 從生長溫度、 /流量比、生長停頓、生長速率等多方面 探索 多周期量子點層結構的優化生長工藝條件， 實現平面和垂直方向上 均勻 有序的 多周期 量子點層結構 的生長 。 (3) 利 用逆向變換計算方法，如遺傳、退火等算法為基本手段，發展基于光場的平面調制獲取立體光學圖案的設計新 方 案；發展建立目標光場分布函數的空間光調制器優化設置的自適應算法 ,合成尺度在亞微米量級的、平面或立體的光場分布圖案；發展一步法制備技術 ， 在光敏介質中記錄所產生的光強分布，精確制備出有重要應用價值的功能性光 量 子 調控 器件，如光子晶體波導，光子晶體微腔 等光子器件。 (4) 基于 數字電路控制的空間調制器技術，建立計算機控制的反饋回路控制系統，發展 可 根據光強分布的目標函數自動產生特定目標光場的自適應技術，并建立相應的實驗系統。利用相位控制的多光束干涉的圖案變化，作用于液晶、光折變晶體以及激光增益介質，產生相應的微納尺 度分布圖案，并產生相應 的信號輸出， 并 優化微納結構的輸出函數。 C、課題經費： 占總課題經費的 27% 四、年度計劃 年度 研究內容 預期目標 第 一 年 研究 微結構的色散關系 和 態密度 對 物質的自發輻射躍遷和受激輻射躍遷等 影響，比如具有 表面等離激元 或強局域微腔等結構對物質的量子性能的影響。 研究核自旋的量子態保持和傳輸。 利用 計高 Q 值的微腔，設計具有 強三階非線性效應的金屬微納結構復合體 。設計 在 近紅外區 內任意特定中心波長透射譜增強的周期性微納結構金屬，獲得的金屬結構參數將指導實驗，用于單光子探測 。 利用逆向變換算法合成復雜二維和三維空間光學圖案的理論，并開展基于數字電路控制的空間調制器和計算機反饋控制技術的自適應光場合成系統的研究。 發展倍頻 參量下轉換級聯效應統一耦合波理論。 研究多周期量子點層結構量子材料特征頻率和量子材料的能帶關系；研究多周期半導體量子點層結構的量子相干光學調控的微觀機制。 優化制備工藝，制備出高 Q 值的微腔，探索量子點的精確定位方法。研究建立觀察量子點和微腔相互作用的低溫微區光學測試系統。 研究超短激光脈沖與不同介質的共振強相互作用。建立與改進飛秒激光超快探測及微制備相 關的實驗平臺及測試手段 。 完善建立時間分辨 轉實驗平臺。 研究 a)a) 單層量子點結構的自組裝生長工藝，確定系統的生長模式，控制量子點的尺寸和密度分布。 在理論上，初步建立量子點的輻射特性和微腔相互作用的位置依賴關系理論，并設計出具有高 Q 值的微腔， 發展倍頻 參量下轉換級聯效應統一耦合波理論。 發展和建立與表面等離激元特性相關的量子模型；通過對核磁共振模擬，得到對于核自旋態調控的方法；揭示 表面等離激元場增強特性誘導的 非線性光學效應增強機理； 初步完成光場逆向合成理論并編計算軟件，為下一步的實驗工作提供理論指導。 實驗上初步制備出微腔結構，同時建立微腔的測試系統以及低溫微區測試系統。 對超短激光脈沖作用下的各種非線性光學效應形成初步的認識； 實現溫度 3 可調、磁場強度可調、激光偏振狀態以及強度可調節的實驗條件，獲得量子點體系初步的 轉信號。 揭示原子尺度水平上薄膜生長和原子團簇形成中的各種原子動力學過程及其內在微觀機制，掌握控制單層量子點的尺寸、密度、形貌、應變的可控外延生長技術。 獲得量 子點層微納結構材料的能帶結構、光子振蕩器的反射譜與極化激元模的衰減情況等 ; 建成超短脈沖激光測試系統，為研究半導體量子點等低維結構與超短脈沖激光作用提供實驗條件。 年度 研究內容 預期目標 第 二 年 通過 全量子化或半量子化過程，研究量子點在奇異的空間色散關系中的輻射特性。 研究與表面等離激元特性相關的量子理論 。 探索 能實現高效電光 參量下轉換級聯效應的最佳光學超晶格微結構和它的實驗 制備 條件 。 逐步建立和發展超短激光脈沖與介質相互作用理論模型 。 用 計算 基于 表面等離 激元特性的非線性效應對信號光的影響，獲得有效調控 信號光的方法和手段； 設計 出將 微腔和量子點結合的光子晶體結構 。 研究 精確調制 微腔特性的方法 。探索 精確制備亞波長尺度微納結構的新 工藝和技術。用離子束曝光、化學腐蝕、催化劑生長 、自組裝 等 方法 ，精確地控制和構造金屬薄膜表面上的 納微 結構。以單光子探測器的芯片為基底，利用微納米加工技術制作具有周期性微納結構的金屬薄膜 。 研究 半導體 微納結構中 載流子的 激發 、弛豫及 超快激光操控 過程。研究電子自旋的退相干動力學，測量其退相干時間及其影響因素。 研究 量子點表面成核的可控生長技術，結合圖形化襯底和自組裝技術，制備分布均勻，密度合適 ，有序性 和 發光性能好的量子點二維陣列。 研究多周期量子點層中的激子受微納結構調制所導致的