方案。由于这种方案中用到的带电量子点微腔和光纤延时线都是可实现可应用的，依次这种方案容易实现和进行实际应用。量子点量子点是由少量的原子构成的准零维纳米结构材料。大概来讲，它是三个维度上的尺寸都在以下，从外观看起来像个极小的点的点状物。量子点具有显著的限域效应即其内部电子在各个方向上的运动都是受限的。图量子点在三个空间方向被束缚住的导带电子激子和价带空穴等半导体纳米结构都可以称为量子点。因其在三个空间方向上都受限制，所以人们也把它称为量子点原子超晶格人造原子等。量子点的这种束缚可以由两种不同半导体材料的界面静电势半导体界面或三者的结合来产生。量子点的能谱是分离的量子化能谱。每个量子点具有少量的整数空穴或电子或空穴电子对量子点具有独特的基于自身的量子效应。纳米量级的粒子由于尺寸的限制会引起表面效应尺寸效应宏观量子隧道效应和量子限域效应。由于量子点中的能级尖锐化态密度比较低，这使得量子点结构中的载流子发生量子限域效应。这种效应的存在又使得光学性能和电学性能发生相应变化。量子点在正射入时可以发生带内跃迁。由于存在上述的特点使得量子点又具有量子纠缠性相干性，满足态叠加原理。第五章基于腔内量子点的量子中继方案的设计与实现光子自旋纠缠原理带电的量子点的光学性质是由决定的，是由束缚在个洞里的两个电子组成。由泡里不相容原理可知，在透射时时自旋不独立的左旋圆偏振光记作仅可以让自旋向上的电子自旋态与自旋态为的配对右旋圆偏振光仅可以让自旋向下的电子自旋态与自旋态为的配对。代表电子自旋态，表示深势井自旋态。自旋量子化法线延腔的正方向。上述自旋选择规则仅适用于理想的量子点即量子点的形状和应变场的分布是对称的，这样不会有自旋混合或自旋分裂。然而实际的量子点都是不对称的，它可以通过电场的热处理或者调节量子点的大小使其达到对称。过滤的自旋选择规则在量子阱和量子点中已经得到了证明。实际的量子点中的混合穴也是可以影响自旋选择规则的。考虑个单电荷的量子点，比如图，它是由两个布拉格反射镜和个横断面组成的在三个空间方向上束缚光子的量子点结构示意图。腔的底部是反射的，上面则是部分反射，这样可以使光子透射进去和透射出来。量子点在腔的中间位置以达到光耦合的最佳效果。通过解海森堡运动方程得出算子和偶极子在弱激发下的近似值，这样就得到了反射系数表示反射比，表示相移。和分别代表外场探测光束腔谐振模和转换频率。是和腔谐振模的耦合强度。是的衰减率，和是腔场的输入输出模和泄露模的衰减率。如果量子点与腔耦合，我们称它为热腔，如果不耦合则称之为冷腔。硕士学位论文图基于巨型法拉第旋光单电子自旋的量子无损测量原理图。为了实现理想的量子测量，通过让使法拉第旋光角为对应相移。让,我们就会得到冷腔的反射系数，就如最近报道的那样侧面泄露和背面的吸收可以通过优化量子点的制作程序来尽量的减少。对冷腔，代表的情况，代表的情况，是腔谐振模的频率。可以从到之间调节。对热腔与腔发生强耦合,那么，。反射系数由掺杂的的腔谐振模的构造决定。最近在很多微腔和纳腔中都运用了强耦合量子点腔系统模型。最近很多文章研究了微腔的直径是左右，耦合强度，质量因数超过相当于的微腔量子系统，表明在量子点腔谐振系统中已经可以实现了。大约是在几左右。若腔内多余的单电子处在向上的自旋态，那么对左旋光来说带电量子点的微腔是热腔，反射后的相移就是而对右旋光来说它就是冷腔，反射后相移是。如果单电子处在向下的自旋态，那么情况正好相反，对左旋光来说是冷腔相移为第五章基于腔内量子点的量子中继方案的设计与实现，对右旋光来说是热腔相移为。我们把这种现象称为巨圆形双反射简称，它也可以引起线性极化光的巨法拉第旋光简称。和都是由基于量子电动力学中的腔的单电子自旋引发的见图，而可用于制作光子自旋纠缠门。反射算子记作如上所述，或，反射算子可以简化为而是相移算子，定义为这里。在这篇文章中除另做说明外，我们通过调整让。在讨论用光子自旋纠缠门制备多量子纠缠态之前先讨论下相位算子的运用条件。计算表明如果那么此时。光脉冲宽度应该小于腔模增加的宽度。这使得频率失谐精确确定，因此相移也被精确确定。这样经反射后光脉冲形状保持不变。此时需满足是光脉冲的中心频率。这种单光子脉冲可以是来自于量子点单光子源或纳秒激光脉冲。最后我们需要传输光子和腔的完美匹配来最小化光子损失。由于光子损失对于冷腔和热腔的影响是样的，因和相位算子仍然成立，但由于光子的损失会减小门成功的概率。光子纠缠图通过限制在量子点中的单电子自旋使相互独立的光子产生极化纠缠的方案的原理图硕士学位论文在图中，光子和分别处于态和态两个光子先后进入腔内。它们有相同的频率。量子点的电子自旋初始态为，量子点系统的相移算子。反射后两光子处于自旋纠缠态，相应的传输态变为哈德门作用于电子自旋态如个的微波脉冲，使两个光子自旋态处于态。现在对电子自旋态进行无损测量运用图所述的基于的方式。让处于态与光子和光子具有相同频率的光子进入腔内反射后三个光子和腔内电子的状态变为用正交基对光子进行测量，如果发现光子在态即与水平方向成，那么可以确定电子自旋态处在态，那么光子和处于纠缠态如果发现光子在态即与水平方向成，那么电子自旋的态为，那么光子和处于纠缠态设，，等于，得到光子混合纠缠态。虽然光子和光子先前是无关的，当它们依次进入腔内与电子发生相互作用后，二者之间产生了相互纠缠。自旋测量让两光子坍缩到纠缠态。这种纠缠坍缩的系统方式，我们称之为介观系统。这种方式区别于其它方式的地方在于不需要辨别光子和光子干涉。我们还可以在不同脉冲长度或到达时间的光子间产生极化纠缠。不同光子到达的时间差必须小于量子点内电子自旋弛豫时间，以完成量子态的传递转接。最近实第五章基于腔内量子点的量子中继方案的设计与实现验上可实现的电子自旋弛豫时间有所延长，弛豫时间受自旋解除时间的限制。由于自旋消相干时间,初始态的电子自旋密度矩阵变为它代表的是自旋混合态。那么纠缠保真度变为如图所示随着时间减少。因此高保真纠缠仅在两个光子的间隔时间远小于量子点内的自旋弛豫时间时可以实现。保真度保真度图两光子时间间隔的纠缠保真。是量子点自旋弛豫时间。忽略侧漏的耦合强度和考虑侧漏的耦合强度的纠缠保真。取，κ,这在实验上是可实现的。因为在这个方案中不能实现，所以曲线是从κ开始的。量子点自旋本征态可以提前制备，如通过光泵或光冷却。从基态有两种方式实现最大纠缠态通过自旋激发拉曼转换的方式或通过用纳秒电子自旋微腔脉冲共振进行自旋转换的方式。最近的研究指出，通过半导体量子器件的应用，自旋的超快的耦合控制达到了费秒水平，在量子点半导体器件上达到了皮秒水平，都远小于量子点自旋弛豫时间。这就达到了我们方案所需要的实现超快的自旋旋转。如果我们忽略光子的损失，如模型的不协调衍射和低效的探测我们的方案是确定可实现的。综上所述，三个相互独立且具有相同频率的光子依次通过带单电子的量子点微腔，然后通过对光子的无损测量可以使光子和光子产生纠缠，从而制备出纠缠光子硕士学位论文对。但是要想实现高保真纠缠光子对的制备光子之间的时间间隔必须远小于量子点内单电子的自旋弛豫时间。为了满足这个调件本文用到了光纤延线，来使光子通过腔的时间间隔是固定可控的。这样就可以制备出高保真的光子纠缠对，从而实现量子信息的中继传输。光纤延时原理光信号在通过光纤时会产生延迟，光纤延时技术就正是利用了这原理。和真空中相比在石英介质中光信号的传输速度较低。光在光纤中传播时折射率为大概是，而在真空中折射率是。在光纤中传输时光信号的延时可以由下式表示上式中表示传输时间，表示介质的折射率，表示光在真空中的传播速度，表示光纤长度。由于光纤延时技术利用的是光在光纤中传播时会发生延迟的原理，因此它的带宽高延时范围大随温度变化小和抗干扰能力强等优点。由此，利用光线延时特性我们就完美的解决了对上述依次进入腔内量子点的光子之间时间间隔的控制。腔内量子点和光线延时线相当于组成了个量子态的纠缠分发系统即量子中继器。该系统可以满足光子态的纠缠和分发的现实实现条件，实现量子中继传输。设计与实现由上述基于腔内量子点的光子电子纠缠原理和光纤延时原理我们可以设计出基于此的量子中继系统。流程图如下所示图基于腔内量子点的量子中继器原理流程图图中，具有相互独立的态的光子和光子同时通过由光纤延时装置和带电量子点微腔系统组成的量子中继器其中光子要先通过光纤延时装置然后通过带电量子点微腔系统，而光子则直接进入带电量子点微腔系统光子通过量子点后与量子点系统发生纠缠，随后在量子点的自旋弛豫时间内光子通过该量子点从而与量子点发生纠缠这样量子点和光子光子就组成了三粒子纠缠态然后对量子点进第五章基于腔内量子点的量子中继方案的设计与实现行测量就使光子和光子建立了两粒子纠缠态，实现光子对光子的纠缠替代，从而实现量子中继传输。有了量子中继器，和就可以实现远距离量子信道的建立和量子信息的传输了。由量子中继原理可知，如果想和之间建立量子信道，那么根据他们之间的距离