【基金标书】2010CB923200-固体系统中光与物质强耦合作用的量子调控研究

项目名称： 固体系统中光与物质强耦合作用的量子调控研究 首席科学家： 王雪华 中山大学 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 教育部 一、研究内容 随着固态器件朝着低维、小尺度方向快速发展，信息 处理单元将会很快缩小至原子尺度量级 ,基本量子特性 量子相干性 在信息的存储、传递和处理过程中起着核心的作用 。 要实现真正意义上的量子信息处理，首先必须解决量子比特系统的可拓展性问题，固态量子系统在解决这一问题方面具有天然的优势 。 在 固态量子信息领域， 量子 电子体 系与光 子 之间的 量子相干 信息 交换是量子信息处理 和传播的关键 所在 。 然而 ,固态量子系统中的退相干效应比较严重， 在信息交换与保留的时间尺度 维持 量子 系 统中的 量子相干态 是主要的挑战 。克服这一挑战的 关键 就是在固态系统中实现光子与量子 电子 体 系的强相互作用，在强相互 作用区，不仅可以调控电子的量子态性质，还可调控光子的量子态性质以及 非线性光学效应。 因此， 本项目拟解决的若干关键科学与技术问题如下： （一）拟解决的关键科学与技术问题 1、 准确 调谐功能微纳电磁介质中量子电子系统与局域光子模 在空间上和能谱上产生共振强 相 互 作用 ，为此，需要发展能准确模拟光子局域模 与量子电子系统相互作用的数值计算方法和 开发功能微纳结构的新型探测和表征系统。 2、 探明基于 金属纳米结构表面等离激元 效应的光子与量子 电子 系统 相互作用的 物理机制 ， 寻找基于表面等离激元效应 的 快速、高效 单光子探测的新方案 ，发展 具有 高效 非线性光学增强 效应 的纳米金属和介质复合结构 的 制备 技术。 3、 实现 固态量子系统中强 相互作用 条件下超快激光 操控载波 荡、孤子脉冲产生等非线性效应 ，发展超高时间分辨、超高灵敏的超快动力学探测技术，利用飞秒整形脉冲实现自旋相干态的亚皮秒超快旋转操作。 4、 发展 多周期量子点层 微纳 结构的精 确生长技术 , 探索该 结构 中光子与共振激发介质的相干耦合，利用超快量子光学效应实现 光子 缓存； 依据耦合的量子体系，进行光量 子的反馈自学 控 制 ， 制备和演示 光 量 子 操控的 功能性 原 理 器件 。 （二）主要研究内容 固态系统中光子与电子强相互作用是保持 量子相干 性的关键，而 光量子操控是实现量子信息交换的关键。我们将从 三 条不同的途径研究固态系统中光与物质强相 互作用 的实现方法及其固态量子调控原理，同时就光量子操控这一共性问题开展研究。主要研究内容如下： （ 1） 固态功能微纳电磁介质中光 子 相互作用的量子调控研究 。 发展位置依赖的光 子 态功能微纳电磁介质中 量子光辐射特性和其它量子光学性质；探索 层状微纳 周期、准周期和特异介质（ 缺陷态、表面态及界面态与 量子 电子 系统 实现 共振强耦合作用 的 实验 方法和控制手段； 研究 在强藕合条件下 电子与光子 量子相干态的动力学演化 ，探索含量子点的固态藕合多微腔结构的可扩展量子比特纠缠新方案，以及波导 研究 高精 度、低成本 、能大批量制备 层状微纳结构 材料与器件的纳米制备工艺与技术 ， 以及 层状 微纳结构及其器件光电特性的新型测试技术和表征方法。 研 究电光晶体产生高亮度纠缠光子源的方法以及在量子密码通讯中的应用。 （ 2）基于表面等离激元效应的光子 研究金属及介质 展基于 表面等离激元效应的光子与量子电子系统相互作用的量子理论， 研究 与表面等离激元相关的量子光学新现象； 探索基于 金属 微纳结构 表面等离 激元效应的量子相干性保持转移 的物理机制和提高单光子探测效率的新方案；研究基于表面等离激元场增强特性诱导的非线性光学效应机理和增强介质非线性光学特性的方法，探索控制光对信号光的调制规律；发展能精 确制备亚波长尺度金属表面微纳结构，以及介质艺和技术。制备 功能性 表面等离激元微腔、波导结构，研究其中光辐射的收缩成束效应、高方向性和高极化特性。 （ 3）超短脉冲激光与物质相互作用的超快动力学及量子相干控制研究 。 发展 非慢变振幅近似和非旋波近似条件下周期量级超短脉冲激光与半导体微纳结构相互作用的严格数值计算方法，研究 超快激光操控载波 荡、孤子脉冲产生等非线性效应 ； 探索强耦合条件下超短脉冲激光控制超快动力学过程的新现象和新机制，研究飞秒脉冲激光与 子点电子自旋 的相互作用 及其 超快相干控制，探索量子点自旋相干态的超快旋转操作 新原理 和 新 方法； 发展 超高时间分辨和超高灵敏的新型探测技术， 研究 半导体 微纳结构中 载流子的 激发 、 弛 豫及超快激光操控 过程 ； 研究飞秒激光作用下微纳结构 中 基于量子尺寸效应导致的吸收光谱、光致发光特性、表面拉曼增强效应等。 （ 4） 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性光量子调控器件研究 ： 研究多周期量子点层微纳结构材料的能带结构、 极化激元模 的稳态与瞬态光学特征，以及超短激光脉冲与周期排列的量子点层共振相互作用所导致的光子减速、存储以及受控释放等缓存过程；探索 利用 长 具有 尺寸、形状、密度、应变以及周期性均匀的量子点层结构的 方法； 系统地发展基于相位空间调制器的多光束干涉技术研究制备层状与立体结构的实时可调微纳器件；发展基于自学控制、反馈控制以及基因控制的量子工程学控制理论和方法 精确制备出有重要应用价值的功能性光 量 子 调控 器件，如光子晶体波导 、 微腔 及其复合结构 等器件。 二、预期目标 (一 )总体目标 与量子调控 相关的量子生长、构造和控制技术关系到国家安全和未来高新技术的发展，将在国民经济可持续发展战略中占有极为重要的地位。本项目正是基于国家的这一重大战 略 需求，提出探索固态系统中 光与物质强相互作用的调控机理、量子光辐射控制、可扩展量子纠缠的实现、非线性光学效应、量子态的存储、量子态动力学超快探测和超快激光操控等的新原理、新方法和新技术。我们将采用理论和实验密切结合的方式，攻克固态系统中光与物质强相互作用及其新型量子光电子器件中的重大科学与技术问题，为固态量子调控及其量子光电子器件奠定基本原理和关键技术基础，取得原创性的自主知识产权，为我国在未来国际高新技术的激烈竞争中赢得一席之地做出重要的贡献。此外，通过本项目的研究在量子调控领域培养国家杰出青年基金获得者 1名， 全国百优博士论文（提 名） 1人次 ，博士后 6究生 110名；发表 60篇，发明专利 32项。 (二 )五年预期目标 1. 建立层状微纳结构、金属纳米结构中局域光场及 超短脉冲激光 与量子电子系统相互作用的量子理论，并发展出有自主知识产权的数值计算方法和数值模拟软件。 2. 获得通过平面固态微腔、金属表面等离激元效应、 超短脉冲激光三条途径实现光子与 量子 电子 系统 强 相互 作用 的 实验 方法和控制技术，理解强藕合条件下 电子与光子 量子相干态的动力学演化机制。 3. 演示基于藕合微腔结构的多量子比特纠缠新方案，通过波导 效、方 向性好的单光子辐射， 研制出基于 表面等离激元效应的快速、 高 效 单光子探测 原理器件。 4. 发展 高精 度、低成本 、能大批量制备 层状微纳结构 、金属纳米结构及其器件的纳米制备工艺与技术 ， 建立能探测和表征微纳结构及其量子光电子器件性能的新型测试技术和表征方法。 5. 制备出性能良好的金属 用 表面等离激元场增强特性诱导 的非线性光学效应实现 控制光对信号光的调制 ， 演示一至二个对信号光调控的原理 型 器件 。 6. 揭示超短脉冲激光量子相干控制及固态系统中超快动力学过程的新现象和新机制，利用飞秒整形脉冲 实现量子点自旋态 的 亚皮秒超快 相干旋转控制 ，建立超高时间分辨和超高灵敏的新型探测技术 系统。 7. 利用 备出 周期性均匀的量子点层结构 ，通过这种共振介质中的自感应透明，拉比翻转等量子效应实现光子的减速、存储、释放，演示 工作 在近红外波段，调控时间 s 量级的光量子调控 原理型 器件 。 8. 建立基于逆向 设计与逆向 算法 的能自动 优化功能性微纳 光电子器件设计与制作 的工程实验装置 ，一次性 制备出功能性光 量 子 调控 器件，如光子晶体波导 、 光子晶体微腔 及其复合结构器件 等 。 三、研究方案 (一 ) 学术思路、技术途径 学术思路： 量子信息科学与技术是利用量子力 学原理对信息进行操控和传输，其本质就是量子态的调控。 要实现真正意义上的量子信息处理，首先必须解决量子比特系统的可拓展性问题，固态量子系统在解决这一问题方面具有天然的优势，特别是基于现代微纳半导体技术的固态量子系统， 其应用和最终产业化的可行性更高 。 然而 , 固态量子体系受周边环境的影响比较严重 ， 抑制其退相干 ，维持其量子相干状态遇到了更大的挑战 。克服这一 挑战的关键就是在固态系统中实现光子与量子电子系统的强相互作用， 在强相互作用区，不仅可以调控电子的量子态性质，还可调控光子的量子态性质 及非线性光学特性 。 因此， 本项目 的核心科学问题是要在固态系统中实现 光与物质的强相 互作用，克服环境的退相干影响， 从而 实现电子态、光子态的量子调控和非线性光学效应。 本项目将从 三 条不同的 途径 研究固态系统中实现光与物质强相 互作用 及其量子调控的原理、方法和技术 ： （ i）通过 具有 强 非均匀 性 电磁 场分布的功能 微纳 结构，如能产生光子局域模 的层状平面光学微腔结构 和 能形成 界面模的 特异材料（ 微纳结构 ； （ 通过 金属纳米结构及其介电材料复合结构中的表面等离激元效应，这种系统中有非常强的局域 场 增强效应； （ 通过超 短脉冲 激光与物质 的强相互作用。超 短脉冲 激光不仅可产生强耦合相互作用，同时还是量子态动力学性质的一种强有力的表征手段。 上述三个方面的研究都将 涉及 固态量子调控研究中非常重要的一个共性问题：即光量子的操控。 基于上述的三种相互作用途径和一个共性问题的学术思想，本项目设立相应的四个课题组： （ 1） 固态功能微纳电磁介质中 光子 量子 调控 研究 ，侧重于量子光辐射控制和量子纠缠新方案的研究 ； （ 2） 基于表面等离激元 效应 的 光子 量子 调控 研究 ，侧重于 量子光学与非线性 光学 效应 的 研究； （ 3） 超短脉冲激光与物质相互作用的 超快动力学及量子相干控制研究，侧重于超快过程、相干效应及量子态 的 超快操控研究； （ 4） 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子调控器件 研究 ， 侧重于 利用量子光学原理开展光子 缓存和 相关 功能性 光量子 调控 器件的研究 。 技术途径： 首先，我们采用基于平面波展开的转移矩阵方法、 数方法及时域有限差分法（ 发展强有力的数值计算工具，开发出一整套具有自主知识产权的数值计算软件平台，用于准确计算层状微纳结构中的光子局域态密度和光子 此基础上，发展和推广我们建立的位置依赖的耦合相互作用理论 ，研究层状微纳结构中新颖的量子光学现象。 根据所建立的模拟软件，优化微纳材料的结构参数和物质参数， 设计出功能微纳结构（如高品质平面微腔）及其 相应的 光电子器件 。尤其是优化半导体发光二极管的结构，提高其发光效率；优化单光子发射器的结构，实现 快速、高效、方向性好的单光子辐射； 优化微腔和波导结构，实现光子 相互作用。在模拟各种微纳结构及相应的电磁性能中，进一步优化模拟软件，力争将其推广到市场上，填补我国在这方面的空白。 在层状微纳结构的制备上，我们将主要利用电子束直写设备（ 150 电子胶上定义图形，通过显影出现二维图形，然后利用反应离子束刻蚀设备（ 00相应的图形依次转移到预期的半导体高折射率层上。在这个过程中，主要需要克服的是： a)如何 在 提高电子束直写速度的同时又不影响它的精度， b)如何使图形不失真地转移到半导体层上，在这方面我们已积累了一定的经验。对于单量子点的定位和操纵，我们计划采用 两种方法，一种是先在半导体层上生长相应的量子点，然后通过标记确定量子点在芯片上的分布，再利用电子束直写定义微腔，从而制备出存在单量子点的微腔，另一种方法是先制备微腔，再用纳米操纵臂将量子点（利用化学方法生长的）移到微腔中的指定位置（我们已经在扫描电子显微镜上安装了具有 2位 精度的纳米操纵臂，能够完成这样的任务）。此外，还将利用纳米球阵列掩模法、纳米压印法和激光全息和双光子直写等工艺定义纳米结构。我们在纳米球阵列掩模法和激光全息法定义和飞秒激光双光子直写微纳结构上已经积累了丰富的经验，我们将利用这些方法开 发出高速、低 成本 制备纳米表面图形的工艺技术，应用于各种功能微纳电磁结构的制备。 在微纳结构光电特性测试方面，建立独特的微纳结构测试系统。比如利用近场扫描显微系统，探索将飞秒激光耦合进微纳结构，同时控制飞秒激光的模式，同一时间内探测多个具有单量子点的微腔之间的耦合相互作用。在这个系统中，我们将利用多光纤探针和高倍显微镜同时观察光与物质相互作用的时间演变和空间分布。 在“基于表面等离激元效应的光子 面，首先 建立不同纳米金属结构中光子与量子电子系统相互作用的哈密顿体系表示方法，理论上 研究通过人工操控的方法（外加电场或者磁场）改变相互作用系统的状态，从而得到相互作用体系演化的内在机制。 采用平面波展开的转移矩阵方法、时域有限差分法（ 工具数值计算不同纳米结构附近的电磁场分布，确定研究体系近场和远场的偏振特性、传输方向和强度等，为实验研究提供理论依据。 在量子光学实验方面，测量不同周期性结构的金属材料对相干光关联度的影响，研究在不同周期性结构的金属材料中利用 表面等离子激元 效应 辅助 相干光 传送过程中保持 空间相干性的物理过程 ,在此基础上 分析 相干性 在光子和 金属表面等离 激元之间量子特性保持及 转移 的物理机制 ,揭示基于表面等离激元特性实现对量子态操纵与控制的新方法 。 在单光子探测器实验方面， 利用电子束曝光方法制备不同周期性金属微纳结构，利用近场扫描显微镜探测不同周期性金属微纳结构在 极弱光 激发条件下产生的表面等离激元场强分布。 获得 不同周期性金属微纳结构 的局域化能力和透射增强效果 ，结合现有的 崩二极管和完全拥有自主知识产权的双门复合电路，最后给出实现高速高效的单光子探测器的方案，并演示原理器件。 在对信号光的调控实验方面，首先制备由金属和非线性材料组成的复合纳米结构。用 二氧化硅作为衬底 ,用溅射或热蒸发方式在上面镀金属薄膜 ,用电子束曝光方法在薄膜上制作纳米结构。非线性材料由金属颗粒和介质组成。制备非线性材料将根据介质材料的不同 ,使用不同的方法 ,有多靶旋转式溅射法、离子注入法或贵金属与聚合物溶液混合 ,通过甩胶固化等方式制成。 其次采 用扫描电子显微镜、原子力显微镜和透射电子显微镜等表征形貌或内部结构。 采用 后用超短脉冲控制光和信号光同时照射复合结构，用近场扫描显微镜、 偏振片等测量近场和远场的光场性能参数，发现控制光对信号光的 调制规律。并演示一至二个对信号光调控的原理器件。 在“超短脉冲激光与物质相互作用的超快动力学及量子相干控制 研究 ”方面，首先利用 中国科学院上海光学精密机械研究所 强场激光物理国家重点实验室目前已经或将建立的多种达到国际先进水平的小型化超快激光系列实验装置，建立新型超快激光操控与表征凝聚态物质微结构与大分子体系及其超快动力学过程的超快泵浦探测实验平台。利用有限时域差分算法实现非旋波近似非慢变包络近似下，能用于描述超短脉冲激光与半导体量子阱、周期性结构等具体材料相互作用的严格数值 计算软件 。重点研究微纳结构中大分子在 超快激光作用下电子态重组、原子分子重构以及非热相变等动力学过程和规律、半导体纳米结构中载流子动力学过程、超短脉冲激光诱导的激发态和亚稳态结构的功能响应原理；通过胶体化学、激光分解与退火等方法获取高品质的量子点，用光学方法建立有效的电子自旋偏振度，通过时间分辨克尔或法拉第旋转光谱来测量量子点电子自旋的超快动力学过程。利用脉冲整形系统、单色仪、偏振片等实现飞秒脉冲激光的 频域 、相位、强度及偏振等多参数 的高精度 的自旋 操控 。利用飞秒激光与量子点强耦合作用产生的交流 应或者受激拉曼跃迁现象来实现自旋量子态的超 快相干控制。利用搭建的飞秒激光超快光谱探测实验装置，通过改变飞秒激光的各种物理参数，包括波长、功率、脉宽、辐照时间等，详细研究飞秒激光作用下纳米材料和纳米结构的吸收光谱、光致发光特性、表面拉曼增强效应等随激光各种参数的变化，分析得到材料高效率发光和表面拉曼增强的主要影响因素，理论解释相关的实验现象；利用飞秒激光直写及辅助的化学镀和化学腐蚀方法在纳米微粒分散物系中，研制新型微光学、微电学及微流体多功能集成演示器件。 在“ 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子调控器件 研究 ”方面，理论上采用光与物质相互作用的量子光学 理论，研究超短脉冲激光在周期排列的共振激发介质中的自感应透明与间隙孤子等传输效应，以研究光量子的减速、存储与受控释放等缓存功能。 采用 “理论研究 仿真分析设计 材料生长研制 量子调控器件研究平台建立 调控器件自旋电子、光子特性测试分析研究 调控器件性能完善”的技术路线，进行调控器件特性理论研究、材料设计生长的关键技术、材料及器件性能测量等技术难点研究。设计和研制出性能优良的调控器件样品。具体步骤为：研究基于 多周期量子点层 微纳结构 材料 量子调控器件的瞬态光学理论基础，包括超辐射效应下微纳结构 材料 能带结构，非共振条 件下泵浦光激发的虚激子与光场的耦合，光学斯塔克效应及其对二维平面周期结构 材料 带隙的作用；研究 多周期量子点层结构 量子材料特征频率和量子材料的能带关系；利用传输矩阵计算材料作为光子振荡器的反射谱；结合实验结论设计微纳结构材料的结构和材料的组分。 利 用 术，生长 单层量子点或量子点多层结构，探索控制量子点尺寸、形状、分布均匀性和密度的生长工艺。研究控制量子点的表面成核位置和成核的可控生长技术，采用图形化衬底生长技术，解决直接用电子束、聚焦离子束带来的损伤和杂质污 染等问题，将图形化衬底和自组装生长技术相结合，制备尺寸分布均匀，密度合适，空间有序性好，发光性能好的 多周期 量子点二维阵列。用电子束曝光法制备网状 膜 , 在底上利用聚焦离子束技术 (光辅助湿法刻蚀相结合的方法制成圆形窗口，形成纳米尺度图形化衬底模板，然后再进行外延生长量子点层材料。还将利用量子点垂直耦合技术，应用多层垂直耦合的应变自组装效应，得到空间有序性良好的量子点。采用 原子力显微镜 和 投射电子显微镜 对生长条件与量子点的尺寸、密度、形状的关系进行研究。用光荧光谱、 荧光 激发谱、微探针荧光谱、阴极 荧光谱 以及 瞬态光谱 等技术 研究量子点激子的发光性质、光吸收性质、单量子点的发光性质、量子点发光的均匀性和载流子的寿命 ， 用电容谱对量子点的电子态及电子态的填充进行研究 ， 用 X 射线衍射、拉曼光谱对量子点的应力场进行表征分析并反馈于生长，为外延生长技术的改进提供快速信息反馈。 通过使用平面空间调制器设计合成出立体的空间光场分布，光场合成包括“确定性 ”的合成技术与闭环回路的自适应控制合成技术。在合成出特定光场分布的基础上通过在感光材料中记录所建立的光场以实现功能性光 量 子 调控器件 模板的制备，在可改变的记录材料中通过控制激 发方式优化系统的输出函数（例如荧光的定向发射）。为此，将根据光场分布的目标函数，通过逆向算法求解空间调制器的振幅与位相设置。对于自适应控制的光场合成技术， 其 控制方法 是 将一束激光通过空间调制器 ，实时改变其 振幅与位相 分布 。显微系统和 测装置 可 实时记录所产生的光强分布。比较记录的光强分布与理想目标光场，计算它们之间的偏离值，采用遗传算法进行计算机数值控制，优化空间调制器的设置，获得一个新的光场分布，再比较，再循环，直至 记录的光场数值与理想值的偏差在误差设定范围内。这样就可以通过自适应方法自动产生一个 设定的光场分布。 通过后续样品处理方案，即可获得功能性光量子调控器件。 (二 ) 本项目的特色与创新之处 本项目提出探索 固态系统中光与物质的强相 互作用，克服环境的退相干影响， 从而 实现电子态、光子态的量子调控和非线性光学效应。 研究固态系统中光与物质强相互作用的调控机理、非线性光学效应、量子光辐射控制、量子纠缠、量子态的存储、量子态动力学超快探测和超快激光操控等的新原理、新方法和新技术。 如前所述，其中存在许多具有挑战性的问题有待我们去攻克，国际上在该领域的研究正处在方兴未艾的阶段， 这为我们在这一领域开展原创性研 究提供了巨大的机遇。本项目在研究上的突破，将会极大的促进 新一代量子调控器件 及量子光电子器件的诞生，为我国在未来国际量子高新技术领域的激烈竞争中赢得一席之地做出重要的贡献。项目特色和创新之处具体表现在如下四个方面： （ 1） 提出通过功能微纳电磁介质中的缺陷模和界面模实现 固态 腔量子电动力学效应，进而实现可扩展的固态量子比特系统的新方案，以及利用波导 效、方向性好的单光子辐射的新思路。 （ 2） 基于 表面等离激元 效应的量子调控机理目前尚不清楚，具有相当的挑战性；提出了基于表面等离激元 效应实现快速、高效 单光子探测的新方案 ，并利用 纳米金属和介质复合结构 中 非线性光学增强 效应 实现 低泵浦光对信号光的有效调制 ,有望在纳米尺度全光网络中的关键器件上取得突破。 （ 3） 利用周期量级脉冲激光与固态量子电子系统的强相互作用有望发现 超快量子相干控制 和量子态 超快动力学 演化 过程的新现象和新规律 ； 立足于具有长退相干时间的 并 首次提出利用飞秒整形脉冲来实现电子自旋的亚皮秒相干旋转控制。 （ 4） 提出了 通过使用 多周期量子点层 的耦合量子体系实现 光量子调控器件新方案， 该 方案在器件的运行效率 和 缓存时间操控等 方面具 有巨大 的优势。依据耦合的量子体系，进行光量子的反馈自学操控，可以发展 出 光量子操控的新原理与新技术。 (三 ) 课题设置 本项目由中山大学、华中科技大学、 中国科学院上海光学精密机械研究所 、北京邮电大学共同承担。 本 项目的核心科学问题是要在固态系统中实现 光与量子系统的强相 互作用，克服环境的退相干影响， 从而 实现电子态、光子态的量子调控和非线性光学效应。 有 三 条 途径 可在固态系统中实现光与物质强相 互作用 及其固态 量子调控 （ i）通过 具有 强 非均匀 性 电磁 场分布的功能 微纳 结构，如能产生光子局域模 的层状平面光学微腔结构 和 能形成 界面模的 特异材料（ 微纳结构 ； （ 通过 金属纳米结构及其介电材料复合结构中的表面等离激元效应，这种系统中有非常强的局域增强效应； （ 过超短脉冲激光与物质的强相互作用。超短激光不仅可产生强耦合相互作用，同时还是量子态动力学性质的一种强有力的表征手段 。 上述三个方面的研究都将 涉及 固态量子调控研究中非常重要的一个共性问题：即光量子的操控。 基于上述的三种相互作用途径和一个共性问题，本项目 设立相应的四个课题 组： 课题 1: 固态功能微纳电磁介质中 光子 量子 调控 研究； 课 题 2: 基于表面等离激元 效应 的 光子 量子 调控 研究； 课题 3: 超短脉冲激光与物质相互作用的超快动力学及量子相干控制研究； 课题 4: 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子调控器件 研究 课题 1侧重于研究功能微纳电磁介质中光 子 与量子 电子 系统的相互作用基本原理、量子纠缠、量子光辐射控制和量子光电子器件性能的研究；课题 2侧重于研究 金属纳米结构及其介电材料复合结构中的 量子光学与非线性光学效应；课题3侧重于研究功能微纳结构中超快激光与物质强相互作用机理，超快量子态操控和超快动力学探测；课题 4侧重于 利用量子光学 原理开展光子 缓存和相关功能性光量子调控器件的研究 。 这四个子课题既有相互联系和支撑，又各有不同的研究重点。 课题 1： 固态功能微纳电磁介质中光子 课题承担单位：中山大学 课题负责人： 王雪华 教授（中山大学） 主要学术骨干：金崇君 教授（中山大学） 佘卫龙 教授（中山大学） 赖天树 教授（中山大学） 张佰君 教授（中山大学） 汪河洲 教授（中山大学） A、 研究目标 （ 1）发展位置依赖的耦合相互作用理论研究层状微纳结构中的量子光辐射特性， 开发出能准确模拟层状微纳结构中光子与量子电子系统相互作用强度及辐射光强分布的数值软件平台。 （ 2）利用 缺陷态、表面态及界面态设计并制备出具有高品质因子、超小模体积的单个平面固态微腔及藕合多微腔结构，获得 准确 调谐量子 电子 系统与局域光子模 在空间上和能谱上 同时 产生共振强耦合作用 的 实验 方法和控制手段。 （ 3） 理解 量子 电子 系统与局域光子模 在强藕合条件下 的电子与光子 量子相干态的动力学演化机制 ，探索基于含量子点的藕合多微腔结构的可扩展量子比特纠缠新方案 ，利用波导 效、方向性好的单光子辐射。 （ 4） 研究和发展 高精确度、低成本 、能大批量制备 层状微纳结构 材料与器件的纳米制备工艺与技术 。 开发出新型的探测和表征 层状 微纳结构及其器件光电特性的测试技术和测试系统。 发表论文： 文 45 篇 申请专利：发明专利 8 项 人才培养：培养国家杰出青年基金获得者 1 名，研究生 30 名，优秀博士学位论文获得者（或优博提名） 1 名，博士后 1。 B、研究内容 (1) 层状 微纳结构中的电磁场是具有高度的非均匀性和很强的局域场增强效应的 功能电磁介质 ，因此，我们首先从理论上研究 层状 微纳结构中光子局域态密度的空间分布，发现和寻找最佳的光子与量子电子系统藕合相互作用位置及能级位置，开发用于提高量子光电子器件性能的微纳结构的设计方法和模拟软件 ，为 层状 微纳结构中的量子光辐射控制、新型量子光电子器件的制备奠定基础。 (2) 在 层状微纳 周期、准周期和特异介质（ 中利用缺陷态、界面态及表面态原理设计并制备具有高品质因子、超小模体积的固态光学微腔，研究结构参数对腔模电磁场空间分布的影响。研究量子点的固态腔量子电动力学行为，以及基于平面耦合多 微腔结构的量子纠缠新方案。探索快速、高效、方向性好的单光子辐射最佳条件，为制备触发式、可控单光子发射器奠定基础。 (3) 研究和发展层状微纳结构新的制备方法和技术。主要探索制备具有超高品质因子和超小 模 体积固态 微腔 的纳米制备工艺技术， 以及将单量子点固定在微腔中的纳米操控工艺方法；研究利用胶体自组装法和光学全息法以及飞秒激光双光子直写制备高效而简易的纳米表面结构的工艺技术 。 (4) 发展用于微纳结构光电子器件的新型测试和表征系统。由于微纳结构材料和器件的维度通常在微米量级或更小，光电相互作用的探测技术主要是基 于显微镜（光学显微镜，近场扫描显微镜、原子力显微镜等）的各种测试系统，由于存在定位、激光输入耦合和输出信号的探测等问题，本课题将致力于发展相应微纳结构材料和器件的测试系统，比如量子纠缠态的探测等。 C、课题经费： 占项目总经费的 33%（其中含项目总经费的 5%为首席专控费）。 课题 2： 基于表面等离激元效应的光子 课题承担单位：北京邮电大学 课题负责人： 肖井华 教授 （北京邮电大学） 主要学术骨干：于 丽 教授 （北京邮电大学） 张 茹 教 授 （北京邮电大学） 郎佩 琳 副 教授（北京邮电大学） 符秀丽 副教授（北京邮电大学） A、 研究目标 （ 1） 探索基于 表面等离激元 效应 实现光 子 与量子 电子 系统相互作用的新原理和新方法， 研究有效操控量子态 的 手段 , 发现金属 纳米结构中与表面等离激元相关的量子光学 新现象，如远距量子纠缠态的实现和控制 。 （ 2） 弄清基于 金属 微纳结构 表面等离 激元效应的量子相干性保持 转移 的物理机制 ， 研制基于表面等离激元效应的 高速 高效单光子探测器，展示 一至二种 金属 微纳结构表面等离激元 效应 在 量子信息 处理及其光电子器件上的应用。 （ 3） 利用 基于表面等离激元场增强特性诱导 的非线性光学效应 机理， 实现介质非线性光学效应的增强 ， 发现 控制光对信号光的调制规律 ， 演示一至二个对信号光调控的原理器件 。 （ 4） 发展出能精确制备亚波长尺度金属表面微纳结构，以及介质 艺和技术。制备出功能性表面等离激元微腔、波导结构，实现光辐射的收缩成束效应、高方向性和高极化特性。 发表论文： 文 35 篇 申请专利：发明专利 8 项 人才培养：研究生 30 名，博士后 1。 B、研究内容 (1) 发展 基于 金属纳米结构表面等离激元 效应的光子与量子电子系统 相互作用的 量子理论 ,分析基于 金属表面等离 激元效应辅助传输的量子相干性保持及转移 的物理机制 ， 研究基于 表面等离 激元特性的量子态操 控方法和 手段，发展 亚波长金属光学器件 处理 量子信息的 新方案。 (2) 揭示不同 金属纳米 结构 中 表面等离激元的电磁场分布规律，发展调控光子激发表面等离激元特性的手段， 进而找到 基于表面等离激元效应提高单光子探测效率的新方案，给出功能性设计，演示基于表面等离激元效应的快速、高效单光子探测原理器件。 (3) 研究 表面等离激元场增强诱导的非线性光学 效应 机理 , 分析非线性介质材料组成和结构分布对非线性系数的影响 , 发现有效增强非线性特性的方法和手段。探索纳米结构金属和非线性材料组成的复合结构在控制光场和信号光场同时作用下，光场的性能参数对表面等离激元特性的影响 , 揭示控制光场对信号光场的调控规律， 探寻 基于表面等离激元 特性 的 亚波长光信息处理新方法。 (4) 发展各种能精确制备亚波长尺度金属表面微纳结构，以及纳米尺度介质艺和技术。用各种物理的、化学的方法，如离子束曝光、化学腐蚀、催化剂生长等，精确地控制和构造金属薄膜表面上的一维和二维调制结构，及金属纳米粒子的形状和尺寸，制备功能性表面等离激元微腔、波导结构，研究 其 中光辐射的收缩成束效应、高方向性和高极化特性。 C、课题经费： 占项目总经费的 20% 课题 3： 超短脉冲激光与物质相互作用的超快动力学及量子相干控制 研究 课题承担单位： 中科院上海光学精密机械研究所 课题负责人： 刘建胜 研究员 （ 中国科学院上海光学精密机械研究所 ） 主要学术骨干： 张敬涛 研究员（ 中国科学院上海光学精密机械研究所 ） 曾志男 研究员 （中国科学院上海光学精密机械研究所） 杨玮枫 副研究员 （ 中国科学院上海光学精密机械研究所 ） 孙海轶 副研究员 （ 中国科学院上海光学精密机械研究所 ） A、 研究目标 （ 1）建立并发展能够用于描述周期量级超短脉冲激光与半导体量子阱、体材料和周期性微纳结构等介质相互作用的严格数值计算方法，揭示超短脉冲激光量子相干控制及 固态系统中超快动力学过程的新现象和新机制。 （ 2） 获知以 子点为主的电子自旋体系的弛豫以及退相干时间，利用飞秒整形脉冲，实现频域、相位、强度及偏振等多参数相干控制量子点自旋态，获得亚皮秒的自旋超快相干旋转控制。 （ 3） 在 操控微纳结构中大分子体系及其半导体微纳结构中载流子超快动力学行为、 超快瞬态相干效应 等交叉学科领域取得若干重大创新成果， 并 建立超高时间分辨和超高灵敏的新型探测技术等。 （ 4） 实现飞秒激光激发下新型纳米材料与纳米结构的光电性能，揭示其中的关键影响因素和物理机制； 利用飞秒激光微加工技术及辅助 方法在纳米分散物系中制备新型的多功能集成演示器件。 发表论文： 文 40 篇 申请专利：发明专利 6 项 人才培养：研究生 20 名，博士后 2 B、研究内容 (1) 建立并发展非慢变振幅近似和非旋波近似条件下，能够用于描述周期量级超短脉冲激光与半导体量子阱、体材料和周期性微纳结构等介质相互作用的严格数值计算方法，探讨超短脉冲激光量子相干控制载波 荡、非线性激光光谱、孤子脉冲产生等瞬态相干效应，研究强耦合条件下超短脉冲激光控制固态系统中超快动力学过程的新现象和新机制。 (2) 探索以 主的量子点电子自旋动力学及其超快相干调控，一方面通过外场调控以及材料的选择获得尽可能长的自旋弛豫以及退相干时间，另一方面开拓研究 飞秒整形脉冲的 频域 、相位、强度及偏振等多参数 的高精度光场操控 手段，研究飞秒脉冲与自旋 量子体系的相互作用 ， 探索量子点自旋相干态的超快旋转操作的 新原理、新 方法 。从而在原理上进行 新一代以自旋为信息载体的低功耗、高速度、高集成度量子器件 的可行性探索 。 (3) 发展 超高时间分辨和超高灵敏的新型探测技术， 研究 半导体 微纳结构中 载流子的 激发 、 弛 豫及 超快激光操控 过程。 探索在微纳结构中大分子及凝聚态物质在超快激光作用下电子态重组、原子分子重构和非热相变等的动力学过程和规律。 (4) 研究飞秒激光作用下微纳结构的光电性能，包括基于量子尺寸效应导致的吸收光谱、光致发光特性、纳米颗粒的表面拉曼增强效应等，并揭示实验中所涉及的新现象和新规律；进一步将纳米颗粒填充到微纳结构中形成分散物系，研制新型的微电子学、微光学及微流体多功能集成器件，为制备新一代纳米量子器件奠定基础。 C、课题经费： 占总课题经费的 20% 课题 4： 光 子的 量子 相干 操控 及其 功能性 光量子调控器件 研究 课题承担单位：华中科技大学、中山大学 课题 负责人： 陈长清 教授（华中科技大学） 主要学术骨干：周建英 教授 （中山大学） 王涛 教授 （华中科技大学） 蔡志岗教授 (中山大学 ) 吴志浩 副教授（华中科技大学） 杨光 副教授（华中科技大学） A、 研究目标 （ 1） 利用周期排列的 量子点层 共振介质中的量子光学效应获得光子缓存的新原理与新技术；研究超短激光脉冲在共振激发的微纳结构中的自感应透明，拉比翻转以及间隙孤子效应所导致的光子减速、存储、释放等光子缓存功能；演示工作 在 近红外波段，调控时间 s 量级的光量子调控 物理原 型 器件 。 （ 2） 利用 现多周期量子点层结构的精确控制生长 ，获得尺寸、形状、密度、应变以及周期性均匀的量子点层结构。 获知 量子点中间带 极化激元模 共振带隙的瞬态变化特性， 建立 动态理论模型 ，并发展出实验控制方法 。 （ 3） 建立基于逆向 设计与逆向 算法，并利用平面空间调制器获取微纳尺度的 平面与立体 光场分布的数 字 设计方法，提供通用的设计计算软件 ， 建立 能自动优化功能性微纳 光电子器件设计与制作 的工程实验装置； （ 4） 发展基于 自适应设计与 全息 光刻 的 功能性 模板 制备新技术 与后续加工技术 ， 一次性 制备出有重要应用价值的 功能性光 量 子 调控 器件，如光子晶体波导 、光子晶体微腔 及其复合结构 等。 发表论文： 文 40 篇 申请专利： 发明专利 10 项 人才培养： 研究生 30 名，博士后 2 。 B、 研究内容 (1) 研究 多周期量子点层微纳结构 中光场与共振激发介质的相干耦合，研究固态超快量子光学效应（如固态自感应透明过程与拉比翻转）所导致的 光子 缓存机制； 研究 多周期量子点层微纳结构 中 的激子受微纳结构调制所导致的超辐射效应，层间激子的光学耦合及其相干性，激子的相干辐射复合与激子退相干弛豫的关系，研究这些参数的瞬态变化特性以及共振非线性光 学效应。 (2) 探索原子尺度水平上薄膜生长中各种原子动力学过程，在原子尺度上揭示薄膜生长和原子团簇形成的各种微观机制。通过原子速率方程所表示的生长动力学过程与系统趋向于低自由能位形的热力学过程来研究和确定系统的生长模式， 控制 量子点的尺寸和密度分布 。 从生长温度、 /流量比、生长停顿、生长速率等多方面 探索 多周期量子点层结构的优化生长工艺条件， 实现平面和垂直方向上 均匀 有序的 多周期 量子点层结构 的生长 。 (3) 利 用逆向变换计算方法，如遗传、退火等算法为基本手段，发展基于光场的平面调制获取立体光学图案的设计新 方 案；发展建立目标光场分布函数的空间光调制器优化设置的自适应算法 ,合成尺度在亚微米量级的、平面或立体的光场分布图案；发展一步法制备技术 ， 在光敏介质中记录所产生的光强分布，精确制备出有重要应用价值的功能性光 量 子 调控 器件，如光子晶体波导，光子晶体微腔 等光子器件。 (4) 基于 数字电路控制的空间调制器技术，建立计算机控制的反馈回路控制系统，发展 可 根据光强分布的目标函数自动产生特定目标光场的自适应技术，并建立相应的实验系统。利用相位控制的多光束干涉的图案变化，作用于液晶、光折变晶体以及激光增益介质，产生相应的微纳尺 度分布图案，并产生相应 的信号输出， 并 优化微纳结构的输出函数。 C、课题经费： 占总课题经费的 27% 四、年度计划 年度 研究内容 预期目标 第 一 年 研究 微结构的色散关系 和 态密度 对 物质的自发辐射跃迁和受激辐射跃迁等 影响，比如具有 表面等离激元 或强局域微腔等结构对物质的量子性能的影响。 研究核自旋的量子态保持和传输。 利用 计高 Q 值的微腔，设计具有 强三阶非线性效应的金属微纳结构复合体 。设计 在 近红外区 内任意特定中心波长透射谱增强的周期性微纳结构金属，获得的金属结构参数将指导实验，用于单光子探测 。 利用逆向变换算法合成复杂二维和三维空间光学图案的理论，并开展基于数字电路控制的空间调制器和计算机反馈控制技术的自适应光场合成系统的研究。 发展倍频 参量下转换级联效应统一耦合波理论。 研究多周期量子点层结构量子材料特征频率和量子材料的能带关系；研究多周期半导体量子点层结构的量子相干光学调控的微观机制。 优化制备工艺，制备出高 Q 值的微腔，探索量子点的精确定位方法。研究建立观察量子点和微腔相互作用的低温微区光学测试系统。 研究超短激光脉冲与不同介质的共振强相互作用。建立与改进飞秒激光超快探测及微制备相 关的实验平台及测试手段 。 完善建立时间分辨 转实验平台。 研究 a)a) 单层量子点结构的自组装生长工艺，确定系统的生长模式，控制量子点的尺寸和密度分布。 在理论上，初步建立量子点的辐射特性和微腔相互作用的位置依赖关系理论，并设计出具有高 Q 值的微腔， 发展倍频 参量下转换级联效应统一耦合波理论。 发展和建立与表面等离激元特性相关的量子模型；通过对核磁共振模拟，得到对于核自旋态调控的方法；揭示 表面等离激元场增强特性诱导的 非线性光学效应增强机理； 初步完成光场逆向合成理论并编计算软件，为下一步的实验工作提供理论指导。 实验上初步制备出微腔结构，同时建立微腔的测试系统以及低温微区测试系统。 对超短激光脉冲作用下的各种非线性光学效应形成初步的认识； 实现温度 3 可调、磁场强度可调、激光偏振状态以及强度可调节的实验条件，获得量子点体系初步的 转信号。 揭示原子尺度水平上薄膜生长和原子团簇形成中的各种原子动力学过程及其内在微观机制，掌握控制单层量子点的尺寸、密度、形貌、应变的可控外延生长技术。 获得量 子点层微纳结构材料的能带结构、光子振荡器的反射谱与极化激元模的衰减情况等 ; 建成超短脉冲激光测试系统，为研究半导体量子点等低维结构与超短脉冲激光作用提供实验条件。 年度 研究内容 预期目标 第 二 年 通过 全量子化或半量子化过程，研究量子点在奇异的空间色散关系中的辐射特性。 研究与表面等离激元特性相关的量子理论 。 探索 能实现高效电光 参量下转换级联效应的最佳光学超晶格微结构和它的实验 制备 条件 。 逐步建立和发展超短激光脉冲与介质相互作用理论模型 。 用 计算 基于 表面等离 激元特性的非线性效应对信号光的影响，获得有效调控 信号光的方法和手段； 设计 出将 微腔和量子点结合的光子晶体结构 。 研究 精确调制 微腔特性的方法 。探索 精确制备亚波长尺度微纳结构的新 工艺和技术。用离子束曝光、化学腐蚀、催化剂生长 、自组装 等 方法 ，精确地控制和构造金属薄膜表面上的 纳微 结构。以单光子探测器的芯片为基底，利用微纳米加工技术制作具有周期性微纳结构的金属薄膜 。 研究 半导体 微纳结构中 载流子的 激发 、弛豫及 超快激光操控 过程。研究电子自旋的退相干动力学，测量其退相干时间及其影响因素。 研究 量子点表面成核的可控生长技术，结合图形化衬底和自组装技术，制备分布均匀，密度合适 ，有序性 和 发光性能好的量子点二维阵列。 研究多周期量子点层中的激子受微纳结构调制所导致的