Выполнили: Тюкачёв Никита (1955), Рахматуллин Сергей(1955), Веренич Анастасия(1955), Тимашова Анастасия(1957) 1

Для дальнейшего изучения квантовой физики необходимы опыты и эксперименты. Один из них затрагивает наша статья. Также для проведения опыта, представленного в нашей работе, необходимо было решить ряд проблем. Таких как получение нанорезонатора с наименьшим объёмом и сильное ограничение света. Часть нашей статьи посвящена решению этих и многих других проблем. 2

Резонатор колебательная система, в которой происходит накопление энергии колебаний за счёт резонанса с вынуждающей силой. Нормальные колебания или нормальные моды набор характерных для колебательной системы типов гармонических колебаний. Вакуумное Раби осцилляция(расщепление) это затухающее колебание первоначально возбужденного атома, соединенного с электромагнитным резонатором, в которой атом испускает фотоны поочередно в одномодовом электромагнитном резонаторе и впитывает их. Атом взаимодействует с одномодовым полем ограниченным объемом V в оптическом резонаторе. Спонтанное излучение является следствием связи между атомом и вакуумной флуктуацией поля резонатора. 3

Добротность свойство колебательной системы, определяющее полосу резонанса и показывающее, во сколько раз запасы энергии в системе больше, чем потери энергии за один период колебаний. Эффект Перселла в квантовой электродинамике увеличение скорости испускания осциллятора в резонаторе по сравнению со скоростью спонтанного излучения в свободное пространство. Люминесценция нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Фотолюминесценция люминесценция, возбуждаемая светом. Фотонный кристалл это материал, структура которого характеризуется периодическим изменением показателя преломления в пространственных направлениях. Квантово-классическая граница – граница между квантовой и классической физикой. 4

Декогеренция это процесс нарушения когерентности, вызываемый взаимодействием квантовомеханической системы с окружающей средой посредством необратимого, с точки зрения термодинамики, процесса. Дизайн Нода (Susumi Noda, профессор университета Киото, Япония)- это способ изготовления нанорезонатора, с добротностью и V = 7.0*10^(-14) см3. 5

1980 г. Начало исследование вакуумного Раби расщепления с несколькими атомами гг. Получено вакуумное расщепление Раби было с одним атомом г. Локализация холодного атома внутри резонатора с помощью атомной ловушки. (McKeever, J., Boca, A., Boozer, A. D., Buck, J. R. & Kimble, H. J. Experimental realization of a one-atom laser in the regime of strong coupling. Nature 425, 268–271 (2003). 6

Квантовые электродинамические нанорезонаторы(QED резонаторы) – это область изучения взаимодействия света, заключенного в отражающий резонатор, или атомов, или других частиц, в условиях, когда квантовую природа света фотонов является значительной. Это в принципе может быть использовано для построения квантового компьютера. Резонатор с наименьшим V (при сохранении высокой Q) дает сильные связи с меньшим диполем, то есть, точка более квантовая. 7

8 Квантовые электродинамические нанорезонаторы

Рисунок 1. а, Фотонный кристаллический нанорезонатор. b, Сканирующий электронный микроснимок изготовленного нанорезонатора, показывающий расстояние между отверстиями, и переход образованный опусканием трёх отверстий. с, Шкала показывает нормированную амплитуду напряжённости электрического поля, |E|/max(|E|). Также показаны горизонтальный срез (выше главной панели) и вертикальный срез (слева от главной панели) через центр прокладки. 9

Вертикальные ограничения, достигнутые полным внутренним отражением на пластине воздушно-полупроводниковых интерфейсов, несовершенны в том, что свет с небольшими плоскостными волновыми векторами может просачиваться сверху и снизу. Ключ к сокращению этой потери состоит в том, чтобы слегка сдвинуть отверстия к краям обкладки. 10

Поскольку внутрирезонаторное поле – это стоячая волна, которая колеблется от нуля до максимума каждую четверть длины волны, есть очень ограниченный объем напряжённости поля, в котором SQD должен быть расположен. Фотолюминесцентные (PL) измерения проводились в криостате из жидкого гелия с регулируемой температурой. 11

Рисунок 2. Квантовые точки и моды резонатора. а, Поперечное сечение на атомно-силовом микроскопе слоя InAs квантовых точек (QD) похоже на используемый слой, но без слоев выше. b, Согласованная фотолюминесценция (PL) QD для высокой мощности возбуждения, показывающая, как низкий (1,175-1,250 нм), так и первый возбужденный (1,100-1,150 нм) переходы. c, PL из трех нанорезонаторов с наиболее высокими значениями Q 12

Образцы были накачаны сапфировым лазером, работающем в непрерывном режиме(CW). Пучок фокусировался с помощью объектива отражающего микроскопа (с числовой апертурой 0,5) в пятно размером 1 мм на образец. Образец излучения был собран тем же объективом микроскопа и анализирован с помощью спектрометра, и был обнаружен массив InGaAs, интегрированный по 0.025нм на пиксель. Мы считаем, что область образца около 10 мм 2 отображенная в спектрометре, приводит к широкой фотолюминесцентной согласованности, лежащей в основе связанных резонаторов на рисунках 3 и 4. В этом рисунке мы используем верхние потери резонатора, чтобы наблюдать фотолюминесценцию от квантовой точки, соединенной с ним. 13

Рисунок 3. Точечно- резонаторный анти- переход. Рис а, PL высокой мощности(690 мВт) Рис b, фотолюминесценция при малой мощности (0,78 мВт) Рис c, две связанные системы пиков (черные линии направляющие) строятся как функции температуры, и сравниваются со скоростью несвязанных QD (красная кривая) и пустых резонаторов (синяя кривая). 14

Было устойчивое улучшение значений Q, полученных для двумерной фотонной кристаллической плиты нанорезонаторов, изготовленных для лазеров, с квантовыми ямами или квантовыми точками в качестве активной среды. При высокой мощности, излучение преобладает в пиковой области, потому что квантовая точка не связана с резонаторами насыщения, то есть, скорость излучения квантовых точек определяет скорость радиационного распада, а не скорость возбуждения. Таким образом, в сочетании точки испускают больше фотонов в единицу времени, чем несвязанные точки. Эксперимент с временным разрешением будет необходим, чтобы увидеть быстрый распад связанных точек. 15

При включении промежуточного питания (25 мВт), увеличение абсорбции квантовых точек уменьшает Q до На малой мощности, можно начать видеть фотолюминесцентные пики от несвязанных квантовых точек; отметим, что все они движутся вместе таким же образом с температурой, так же как пустые резонаторы, но скорость значительно быстрее этого режима. Таким образом, переход квантовых точек может быть температурно сканирован через резонанс. 16

На рисунке 4а показана независимая проверка в более узком диапазоне температур близких к нулю расстройки. Измеренная нулевая расстройка вакуум Раби расщепления это 2g= 41ГГц= 170мэВ = 0.192нм. Рисунок 4б показывает нулевую расстройку излучения, исходящую из аналитических представлений. Существует некоторая неопределенность в значениях K и G, и еще больше в расположении квантовых точек относительно максимума поля. По графику, g=20.6Гц, предполагая, что точка находится в области максимума. Рисунок 4.Точечно-резонаторное вакуум Раби расщепление. a, почти нулевая расстройка фотолюминесцентного спектра (разные с рис. 3, b), показывается двумя пиками излучения. Температура сканирована с шагом 0,5 K, от 15 K в верхнем до 19,5 K внизу; 0,78 мВт, а средняя 60 с. b, Расположение аналитического выражения для излучения нулевой расстройки c использованием G = 20,6ГГц = 0,096нм, к = 42,3ГГц = 0,197нм, y = 21,5ГГц = 0,1нм. 17

Спектр излучения сильно связанной системы в невозмущённом режиме - двойной пик во всех направлениях, в отличие от квантовой ямы плоских микрорезонаторов, которая является двумя пиками в невозмущённом режиме, перпендикулярном направлению одного пика в слабосвязанном режиме. => энергетическое положение пиков излучения должно быть независимо от обнаруженного направления. Анти-пересечение наблюдалось много раз с циклами температуры. В режиме слабой связи спонтанное повышение излучения Перселла: сканирование температуры показывает резонанс квантовых точек с пересечением полости резонанса, но связи между частицами увеличивают радиационную ширину линии. 18

Авторы статьи ожидают, что система точек/нанорезонаторов действительно будет проявлять квантовые свойства, несмотря на то, что линейная спектроскопия не доказала это. Наоборот, несмотря на нормально-связанные моды, наблюдаемые между одной квантовой ямой и микрорезонатором показывают два пика анти-пересечения, которые часто называют сильно связанными с помощью системы полупроводников, а на самом деле квазиклассических - как и многие атомы вакуумного расщепления Раби. Даже квантовая яма трехмерного микрорезонатора диаметром всего 2 мм все равно требует около 300 фотонов для насыщения вакуумного расщепления Раби; таким образом, она по-прежнему полуклассическая, и далека от квантового режима. 19

Преимущества резонаторов из полупроводниковых квантовых точек над атомными резонаторами: Положение квантовой точки фиксируется => можно делать эксперименты с одним и тем же квантовым излучателем. Ультра-малые размеры сильно связанных точек / резонаторов в устройствах, с количеством >10000 резонаторов на мм-2, позволяет рассуждать о возможности создания квантовой сети, которая была бы в состоянии сохранять, обрабатывать и распространять информацию на квантовом уровне. 20

21

Если сила связи между двумя осцилляторами с одной и той же энергией превышает среднюю скорость их распада, связанная система имеет две собственных энергии, то есть состояния расщепляются. Вакуумное Раби расщепление происходит когда один из осцилляторов состоит из двухуровневого атома или КТ и другого который находится в резонаторе высокой добротности и малого объёма. 22

Скорость спонтанного излучения двухуровневой системы в резонаторе увеличивается пропорционально Q/V. Где Q – это добротность нанорезонатора, а V – его объём. Раби осцилляции могут существовать только в резонаторах высокой добротности и малого объёма. Спонтанное излучение становится обратимым, а атом обменивается энергией с созданным им же полем. Таким образом энергия сохраняется в нанорезонаторе. 23

Вакуумное Раби расщепление позволяет контролировать спонтанные излучения квантовой точки в нанорезонаторе. Полупроводники позволяют поместить квантовую точку в центр нанорезонатора. Одна квантовая точка в резонаторе может давать вакуумное Раби расщепление, следовательно фотоны могут контролировать пропускание или отражение последующих фотонов. 24

Режимом сильной связи называется режим, где в системе очень мало атомов и каждый элемент этой системы может влиять на состояние системы в целом. Этот режим позволяет управлять: -направлением испускания фотонов -фазой одного фотона относительно другого -также мы можем получить излучение одного атома(таким образом создавая лазер на одном атоме) 25

В перспективе система, состоящая из нанорезонаторов, в каждом из которых находится атом, может быть использована для создания цифрового хранилища информации. Хранение и передача информации на квантовом уровне является основой для квантового компьютера, возможности которого будут существенно превышать возможности существующих вычислительных систем. 26

Квантовый компьютер - это вычислительное устройство, работающее на основе квантовой механики. К физической системе, реализующей квантовый компьютер, предъявляются следующие требования: Система должна состоять из точно известного числа частиц; Должна быть возможность привести систему в точно известное начальное состояние; Степень изоляции от внешней среды должна быть очень высока; Надо уметь менять состояние системы согласно заданной последовательности унитарных преобразований ее фазового пространства; Необходимо иметь возможность выполнять «сильные измерения» состояния системы (т.е. такие, которые переводят ее в одно из чистых состояний).