单光子器件及应用 9787568076258

光子的特性十分奇特,既体现出波动性,又具有粒子特性.通常情况下在光电子器件中展示的这些特性是多个光子的集中体现,即使在性能优良的激光器中,发射的光子也不可能做到理想的全同,从而造成输出激光谱线的展宽、相干长度的缩短、偏振特性的消弱以及相位噪声的产生.唯独当光电子器件在任意时刻仅发射一个光子时,光子的优异特性才被完美地展示出来,此时的器件称之为单光子器件.单光子器件输出的光子具有很好的量子效应.单光子器件不仅在量子通信加密、量子计算领域有广阔的应用前景,在生物医学成像、精密仪器测量等领域也将发挥极为重要的作用.理想的单光子发射器件应能在任意时刻发射单个光子,并且发射单个光子的概率为１;每个光子在理想量子通道的效率具有统一性;每个光子应该无法区分,具有全同性.作为量子信息技术核心光源的单光子发射器,发射的光子应满足确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率这四个严苛的条件.因此,在实际中要获得满足上述苛刻条件的单光子器件,几乎是难以实现的.尽管国际上众多学者已报道在单光子源方面取得了重大的研究成果,但是目前在实验室中被大量使用的仍然是准单光子源.本书的作者CharlesSantori、DavidFattal和YoshihisaYamamoto分别是美国HewlettＧPackard实验室的资深研究员和斯坦福大学的著名教授,他们均具有深厚的理论基础和丰富的光电子器件制备经验.原著内容丰富,论述言简意赅,由浅入深,主要聚焦尺寸小、工作稳定且可大范围集成的固态单光子源的基本原理、实验技术和潜在的应用.第１章通过引入表征单光子源的重要参数,阐明了单光子源与标准光源的不同之处,综述了６０年的单光子产生历史.第２章描述了基于放置在腔内的二能级量子发射体的自发辐射的*简单的单光子产生技术,介绍了电偶极子和旋波近似下量子发射体与杂散辐射连续体耦合的理论模型,并指出单光子波形、外耦合输出效率以及相对相移可表征单光子器件的性能.第３章描述了基于ΛＧ型结构的三能级原子中的相干拉曼散射按需产生单光子的可选方案,并分析了自发辐射的不利效应、激发态的退相干以及多激发态对拉曼跃迁的影响.第４章针对自发辐射过程或拉曼跃迁介绍了各种退相干过程对光子发射特性的影响.第５章简要地回顾了用于表征固态单光子源的实验技术.第６章详细描述了在光频产生单光子的InAs量子点、金刚石中的氮空位缺陷中心以及GaAs和ZnSe的浅层杂质三个固态类原子系统,及其作为基于自旋的量子信息处理系统.第７章介绍了一种极其重要的光学微腔高性能单光子源.第８章阐述了单光子源的潜在应用.本书为学习单光子源的基本理论、实验技术以及潜在的应用提供了重要的资料,也可作为相关专业的高年级本科生、研究生、科研和工程技术人员深入了解单光子器件及应用的参考书.

过去的十年中,在许多物理系统中实现了所需的单光子产生,包括中性原子、离子、分子、半导体量子点、固体中的杂质与缺陷和超导体电路。单光子的产生与探测的动机是双重的:基础科学和应用科学。一方面,单光子在量子力学的实验基础与测试理论中扮演着核心的角色。另一方面,为了实现量子密钥分发、量子中继器和量子信息处理,有效且高质量的单光子源是必不可少的。本书描述了固态实现单光子源的基本原理、实验技术和潜在的应用.相比于原子与离子的捕获,固态实现单光子源具有小尺寸、稳定工作和大范围集成等特点。

过去的十年中,在许多物理系统中实现了所需的单光子产生,包括中性原子、离子、分子、半导体量子点、固体中的杂质与缺陷和超导体电路。单光子的产生与探测的动机是双重的:基础科学和应用科学。一方面,单光子在量子力学的实验基础与测试理论中扮演着核心的角色。另一方面,为了实现量子密钥分发、量子中继器和量子信息处理,有效且高质量的单光子源是必不可少的。本书描述了固态实现单光子源的基本原理、实验技术和潜在的应用.相比于原子与离子的捕获,固态实现单光子源具有小尺寸、稳定工作和大范围集成等特点。

Yoshihisa Yamamoto,美国斯坦福大学应用物理&电气工程系教授，日本国立情报学研究所量子信息科学教授，美国光学协会会士，美国物理学会会士，日本应用物理学会会士。山本教授是量子电动力学的世界*学者，在学术界享有很高的知名度。他2011年荣获日本大川奖，2005年获得日本紫绶带奖章，2000年荣获美国电气和电子工程师协会（IEEE）/激光和电子光学学会（LEOS）量子电子学奖，等等。他带领其团队在半导体纳米体系自旋和激子的量子动力学领域开展了很多前沿性的研究工作。目前，他的主要研究方向为量子信息处理系统的物理应用。

第１章　引言　/１

　１．１　单光子源的定义与特征　/１

　１．２　类原子系统的单光子产生　/２

　１．３　单光子的应用　/６

　１．４　单光子的产生历史　/１２

　１．５　概述　/１４

第２章　腔内二能级量子发射体的单光子产生　/１５

　２．１　JＧC哈密顿量　/１５

　２．２　量子发射体与辐射连续体的耦合　/２３

　２．３　腔耦合到辐射连续体　/２６

　２．４　通过腔的量子发射体衰变　/２８

　２．５　强和弱耦合方式,珀塞尔效应　/３５

　２．６　基于二能级量子发射体的单光子源　/３９

　２．７　加载或卸载空腔的单光子相互作用　/４０

　２．８　无原子存在　/４２

第３章　腔内三能级Lambda系统的相干光子发射　/４７

　３．１　相干驱动Λ 系统:背景　/４８

　３．２　绝热近似　/４９

　３．３　快速单光子产生/捕获的控制脉冲工程　/５１

　３．４　非理想系统:捕获/产生效率　/５６

　３．５　具有数个激发态的Λ 系统　/６０

第４章　退相干效应　/６２

　４．１　引言　/６２

　４．２　退相干过程对固态单光子源的影响　/６３

　４．３　T１、T２ 与T２？　/６４

　４．４　例:电荷陷阱导致的波动电场　/６９

　４．５　纯退相二能级系统的光子发射　/７１

　４．６　时间抖动过程　/７４

　４．７　无辐射衰减　/７８

　４．８　两激发态间的弛豫　/７９

　４．９　三能级拉曼方案中的纯退相　/８２

　４．１０　声子边带与展宽　/９０

第５章　实验技术　/９８

　５．１　显微荧光装置　/９８

　５．２　光子相关测量　/１０３

　５．３　测量相干特性　/１０７

第６章　固体中用于单光子产生的类原子系统　/１０９

　６．１　半导体量子点　/１０９

　６．２　金刚石中的氮空位中心　/１３６

　６．３　半导体施主与受主　/１５９

６．４　总结和对照表　/１６７

第７章　微腔几何结构的评述　/１６９

　７．１　平面分布布拉格反射镜微腔　/１７０

　７．２　柱状微腔　/１７２

　７．３　微盘腔　/１７４

　７．４　光子晶体　/１７５

第８章　应用　/１７７

　８．１　BB８４量子密钥分发　/１７７

　８．２　具有嵌套纯化协议的量子中继器　/１８２

　８．３　量子信息处理　/１８３

参考文献　/１９０ 

过去的十年中,在许多物理系统中实现了所需的单光子产生,包括中性原子、离子、分子、半导体量子点、固体中的杂质与缺陷和超导体电路。单光子的产生与探测的动机是双重的:基础科学和应用科学。一方面,单光子在量子力学的实验基础与测试理论中扮演着核心的角色。另一方面,为了实现量子密钥分发、量子中继器和量子信息处理,有效且高质量的单光子源是必不可少的。本书描述了固态实现单光子源的基本原理、实验技术和潜在的应用.相比于原子与离子的捕获,固态实现单光子源具有小尺寸、稳定工作和大范围集成等特点。

Yoshihisa Yamamoto,美国斯坦福大学应用物理&电气工程系教授，日本国立情报学研究所量子信息科学教授，美国光学协会会士，美国物理学会会士，日本应用物理学会会士。山本教授是量子电动力学的世界*学者，在学术界享有很高的知名度。他2011年荣获日本大川奖，2005年获得日本紫绶带奖章，2000年荣获美国电气和电子工程师协会（IEEE）/激光和电子光学学会（LEOS）量子电子学奖，等等。他带领其团队在半导体纳米体系自旋和激子的量子动力学领域开展了很多前沿性的研究工作。目前，他的主要研究方向为量子信息处理系统的物理应用。

光子的特性十分奇特,既体现出波动性,又具有粒子特性.通常情况下在光电子器件中展示的这些特性是多个光子的集中体现,即使在性能优良的激光器中,发射的光子也不可能做到理想的全同,从而造成输出激光谱线的展宽、相干长度的缩短、偏振特性的消弱以及相位噪声的产生.唯独当光电子器件在任意时刻仅发射一个光子时,光子的优异特性才被完美地展示出来,此时的器件称之为单光子器件.单光子器件输出的光子具有很好的量子效应.单光子器件不仅在量子通信加密、量子计算领域有广阔的应用前景,在生物医学成像、精密仪器测量等领域也将发挥极为重要的作用.

理想的单光子发射器件应能在任意时刻发射单个光子,并且发射单个光子的概率为１;每个光子在理想量子通道的效率具有统一性;每个光子应该无法区分,具有全同性.作为量子信息技术核心光源的单光子发射器,发射的光子应满足确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率这四个严苛的条件.因此,在实际中要获得满足上述苛刻条件的单光子器件,几乎是难以实现的.尽管国际上众多学者已报道在单光子源方面取得了重大的研究成果,但是目前在实验室中被大量使用的仍然是准单光子源.

本书的作者CharlesSantori、DavidFattal和YoshihisaYamamoto分别是美国HewlettＧPackard实验室的资深研究员和斯坦福大学的著名教授,他们均具有深厚的理论基础和丰富的光电子器件制备经验.原著内容丰富,论述言简意赅,由浅入深,主要聚焦尺寸小、工作稳定且可大范围集成的固态单光子源的基本原理、实验技术和潜在的应用.第１章通过引入表征单光子源的重要参数,阐明了单光子源与标准光源的不同之处,综述了６０年的单光子产生历史.第２章描述了基于放置在腔内的二能级量子发射体的自发辐射的简单的单光子产生技术,介绍了电偶极子和旋波近似下量子发射体与杂散辐射连续体耦合的理论模型,并指出单光子波形、外耦合输出效率以及相对相移可表征单光子器件的性能.第３章描述了基于ΛＧ型结构的三能级原子中的相干拉曼散射按需产生单光子的可选方案,并分析了自发辐射的不利效应、激发态的退相干以及多激发态对拉曼跃迁的影响.第４章针对自发辐射过程或拉曼跃迁介绍了各种退相干过程对光子发射特性的影响.第５章简要地回顾了用于表征固态单光子源的实验技术.第６章详细描述了在光频产生单光子的InAs量子点、金刚石中的氮空位缺陷中心以及GaAs和ZnSe的浅层杂质三个固态类原子系统,及其作为基于自旋的量子信息处理系统.第７章介绍了一种极其重要的光学微腔高性能单光子源.第８章阐述了单光子源的潜在应用.

本书为学习单光子源的基本理论、实验技术以及潜在的应用提供了重要的资料,也可作为相关专业的高年级本科生、研究生、科研和工程技术人员深入了解单光子器件及应用的参考书. 

本书作者分别是美国HewlettＧPackard实验室的资深研究员和斯坦福大学的著名教授,他们均具有深厚的理论基础和丰富的光电子器件制备经验。