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表面等离激元的量子干涉

蔡永旌  
【摘要】:随着科技发展的日新月异,人们对信息处理的速度要求越来越高,而现今的传统信息技术发展开始遭遇瓶颈,量子信息技术开始得到人们的关注和研究。为了能实际应用上量子信息,集成化又成为了必然的一种趋势。但是传统光学器件都不能突破光学衍射极限,这限制了其在量子集成芯片中的应用,于是表面等离激元,这种可以突破衍射极限并在亚波长量级传播的电子密度波,开始被引入到量子集成回路的应用中去。表面等离激元波导因具有比传统光波导更小的尺寸而适合做集成化的工作,而吸引了越来越多的人对表面等离激元进行研究,将表面等离激元带入量子集成回路中作为信息传输的一种方式成为了一个发展方向。同时,利用表面等离激元的性质来设计量子集成回路中的功能器件也是一种十分有意义的研究方向。本人在博士期间的研究课题主要是利用纳米加工技术制作表面等离激元波导并研究其在量子信息中的应用。本文将在以下几个方面介绍在博士期间完成的几个工作:1.电介质加载表面等离激元波导的制备和基础性研究电介质加载表面等离激元波导被认为是几种常用表面等离激元波导中表现最好的一种波导结构,主要体现在该类型波导可以在波导有效传输距离和波导内模式限制两者之间达到一个最佳的权衡。电介质加载表面等离激元波导的常用结构为在金膜上的PMMA(一种电子束光刻胶)介质波导,因此可以通过电子束光刻技术来制备该波导。通过有效的模拟和设计波导尺寸以及对加工技术的探索和改进,我们可以制备出相应的符合我们要求的亚波长尺寸的波导并以此展开实验。利用光纤锥近场激发电介质加载表面等离激元波导在理论上被认为是一种效率可以非常高的激发手段。我们在实验中实现了用光纤锥近场激发表面等离激元波导内的模式,并且观察到了波导内表面等离激元在波导另一端散射出光信号的现象。2.单个表面等离激元间的量子干涉实验量子干涉是量子信息中对光量子进行操作的一种重要方式。将表面等离激元应用到量子集成回路中作为信息载体,表面等离激元本身能否进行量子干涉对其在量子信息中的应用具有重要意义。我们在实验中观测到了非常高的干涉可见度的单个表面等离激元间的量子干涉现象。这证明了单个表面等离激元的玻色子特性,也表明用单个表面等离激元作为量子比特来进行集成的量子计算操作和量子模拟也是一种可行性的方案。表面等离激元的固有损耗对其量子干涉的影响也得到了讨论,证明损耗确实可以影响二阶关联的量子干涉可见度,但是可以通过合适的选择来降低这种由固有损耗带来的影响。3.利用多模电介质加载表面等离激元波导设计集成的功能性器件相比较传统的集成波导都是单模波导,利用多模电介质加载表面等离激元波导可以设计出即适合集成化又能实现一些特殊功能的器件。我们在理论上设计出了利用多模的电介质加载表面等离激元波导组成的定向耦合器结构,可以在功能上实现波导内的不同模式的分离,以此种功能我们可以进一步的利用多模波导内的不同模式作为一种信息编码方案。同时这种波导构成的定向耦合器可以实现在不改变自己尺寸的前提下调节整体分束比的功能,并且在实验上,我们观察到了在同一个结构上的分束比变化现象。


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