基于金刚石镍氮色心的单光子源的研究及其应用

基于金刚石镍氮色心的单光子源的研究及其应用【摘要】：在量子物理学创立于发展过程中，单光子源担任十分重要的角色，总是引起研究学者的关注。一方面，单光子源作为一个非经典光源可以被用来演示量子力学的基本原理，展现量子的奇异性。另一方面，基于量子力学原理的量子信息技术也需要利用单光子源来实现量子保密通信和量子计算。特别是在量子保密通信中，密钥的信息被加载在单光子脉冲序列上，在这种情况下的任何测量都会不可避免的改变这个单量子系统的本征态，这保证了窃听者不可能在不被发现的情况下获取密钥信息。因此，对实用可靠的单光子源的研制已经成为当前量子物理学的最前沿研究内容之一。迄今为止，人们已经发展了许多种单光子源，例如被囚禁的单原子和单离子、单分子、单量子点、以及金刚石中的单色心等，然而这些单光子源或者需要复杂的仪器设备，或者在室温下难以稳定工作。虽然金刚石中的氮-空穴(N-V)色心在室温下表现出超凡的稳定性，但是N-V色心室温下的发射光谱有100nm的带宽，覆盖了可见光的很大部分，因此在空间量子保密通信系统中难以去除日光背景噪声对实验的不利影响。本论文研制了一种新的单光子源，它的工作机理是基于金刚石中单个镍-氮色心(NE8)的光致发光。与N-V色心相比，NE8色心的发光特性有诸多优点。首先，NE8色心的发射波长在790nm附近，发射带宽仅有2nm，有利于在量子保密通讯系统中使用窄带滤光片来去除噪声。而且，NE8色心的荧光寿命仅为2ns，可以支持高速率的单光子产生。同时，由NE8色心发射单光子具有线偏振特性，这有利于量子保密通信中对单光子偏振态直接进行编码。与此同时，室温下的NE8色心的稳定发光确保了这种单光子源在实际应用中的可靠性。最后，NE8色心可以采用化学雾相沉积(CVD)的方法以可控的手段生长在纳米金刚石晶体中，为进一步提高这种基于金刚石的单光子源的性能提供了可能。使用CVD方法生长的纳米金刚石晶体，因为克服了由金刚石材料折射率大而引起的全反射而导致的光子收集效率低的问题，所以纳米金刚石晶体可以显著提高单光子的收集效率。本论文首次在单光子水平下对NE8色心的激发光谱进行了研究，研究结果表明NE8色心的最优化激发波长在765nm。研制成了使用765nm激光脉冲激发纳米金刚石中的NE8色心的触发式单光子源，并在室温下实现了稳定运转，单光子产生速率达到30kcts／s。整个系统紧凑，高效，可应用于实际条件下的量子保密通信系统。在本论文中，使用研制的单光子源对量子物理的基本原理进行了研究。首先，基于N-V色心的单光子源，利用Fresnel双棱镜，开展了的波前分裂的单光子干涉实验，展现了光的波粒二象性。一方面，由CCD记录下的干涉条纹的形成过程体现出了光的波动性；另一方面，观测到的反聚束效应体现出了光的粒子性。使用同一个N-V单光子源，在单光子水平上演示了Wheeler的“延迟-选择”假想实验，验证了量子力学的基本原理。即干涉仪中，光子的特性取决于对可观测量的选择。即使当光子已经进入到测量系统中之后才做出对可观测量的选择，光子的特性依旧取决于最终选取的可观测量。这是第一次真正实现了Wheelet的思辨实验，利用单光子源再次证明了量子力学超越了常识。【关键词】：单光子源金刚石色心NE8色心N-V色心量子光学单光子干涉“延迟-选择”实验【学位授予单位】：华东师范大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2007【分类号】：O431.2【目录】：Abstract6-8摘要8-141Introduction14-182Single-photonsourcesandtheirapplications18-302.1Singlephotonsandantibunchingeffect18-192.2Photoncorrelationmeasurements19-222.2.1HanburyBrown-Twissexperimentwithphotons20-212.2.2Photoncorrelationfunction212.2.3Quantumrepresentationofphotoncorrelationfunction21-222.3ApplicationsofSPS22-272.3.1Researchesonquantumstate22-232.3.2Quantumcomputation23-252.3.3Quantumcryptography25-272.4SPScandidates27-292.4.1Singleatoms272.4.2Singlemolecules27-282.4.3Singlequantumdots282.4.4Singledefects28-292.5Summary29-303SingleNE8centresinnaturaldiamond30-523.1Introduction30-343.1.1Diamondandcolourcentres30-333.1.2NE8centre33-343.2ObservationofsingleNE8centresinnaturaldiamond34-433.2.1Experimentalsetupbasedonconfocalmicroscopy35-383.2.2PhotoluminescencepropertiesoftheNE8centres38-433.3PhotodynamicanalysisofthesingleNE8centre43-503.4Summary50-524SingleNE8centresinCVD-growndiamondnanocrystals52-664.1Introduction52-544.1.1CVDmethodtogrowdiamond53-544.1.2NE8centresinCVDdiamondfilm544.2NE8colourcentresinCVD-growndiamondnanocrystal54-584.2.1Samplepreparation56-574.2.2ObservationofsingleNE8centresindiamondnanocrystal57-584.3Photoluminescenceexcitation(PLE)spectrumofthesingleNE8centre58-594.3.1Modificationontheexperimentalsetup584.3.2PLEspectrummeasurement58-594.4SingleNE8centreundercwexcitationat765nm59-634.5Summary63-665TriggeredSPSbasedonasingleNE8centre66-785.1Introduction66-675.2Pulsedexcitationsourceat765nm67-685.3SingleNE8centreunderpulsedexcitation68-735.3.1Spectralanalysis695.3.2Emissionlifetimemeasurement695.3.3Excitationsaturation69-705.3.4AutocorrelationfunctionwithasingleNE8centre70-735.4Photodynamicanalysisunderpulsedexcitation73-765.4.1”On/Off’dynamicsystem73-755.4.2Photoluminescencequantumyieldefficiency755.4.3Improvementinthedetectionefficiency75-765.5Summary76-786Single-photoninterferencewithaFresnel’sbiprism78-926.1Introduction78-806.2SPSusedintheexperiment80-826.2.1N-Vcentresindiamond80-816.2.2Samplepreparation81-826.2.3TriggeredSPSbasedonN-Vcentresindiamondnanocrystal826.3Wave-likebehaviorofasinglephoton82-876.3.1Observationofinterferencefringes82-846.3.2Datafittingoftheinterferencepattern84-856.3.3Distance-dependentinterferencepatterns85-876.4Particle-likebehaviorofthesinglephotons87-906.4.1Photodetectiontimestampsequence87-886.4.2Intensitycorrelationmeasurement88-906.5Summary90-927Delayed-choiceexperimentwithsinglephotons92-1067.1Introduction92-947.2Experimentalsetup94-967.2.1Interferometerdescription94-967.3Wave-particledualityofthesinglephoton96-997.3.1Wave-likebehaviour96-977.3.2Particle-likebehaviour97-997.4Realizationofdelayed-choiceexperiment99-1037.4.1Quantumrandomnumbergenerator99-1017.4.2Timingoftheexperiment101-1037.4.3Delayed-choicewithsinglephotons1037.5Summary103-1068Conclusionandoutlook106-108Appendix108-118A:IRFeffectontheintensitycorrelationfunctionmeasurement108-112B:Abbreviationlist112-114C:Publicationsandawards114-118Bibliography118-126Acknowledgement126-127本论文购买请联系页眉网站。