本發(fā)明涉及一種基于量子點(diǎn)-金屬納米顆粒陣列結(jié)構(gòu)的表面等離激元量子信息傳輸線，屬于量子信息應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

量子信息處理一般應(yīng)用傳統(tǒng)的光學(xué)腔或離子阱制備操控量子態(tài)。光學(xué)腔系統(tǒng)是將俘獲的原子約束在光學(xué)腔中，利用原子能級(jí)和光子狀態(tài)作為量子比特，實(shí)現(xiàn)原子和光子之間信息的交換。離子阱系統(tǒng)是用束縛在勢(shì)阱中離子的精細(xì)結(jié)構(gòu)能級(jí)和離子的集體振動(dòng)聲子狀態(tài)作為量子比特，由激光誘導(dǎo)產(chǎn)生躍遷來(lái)實(shí)現(xiàn)量子比特的操控。

上述技術(shù)中，量子信息處理系統(tǒng)的集成都需借助傳統(tǒng)的光學(xué)元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。而傳統(tǒng)的光學(xué)器件由于衍射極限這一物理限制，器件尺度不能小于其光波波長(zhǎng)的大小。因此，通常的量子信息處理系統(tǒng)都采用各種分立元件，各元件大小都在微米以上量級(jí)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種量子點(diǎn)和金屬納米顆粒陣列結(jié)構(gòu)，利用表面等離激元實(shí)現(xiàn)納米光子量子信息傳輸和處理。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種表面等離激元量子信息傳輸線，其特征在于，包括采用半導(dǎo)體工藝生長(zhǎng)量子點(diǎn)，以及結(jié)合微細(xì)加工技術(shù)制作金屬納米顆粒陣列、錐形金屬納米導(dǎo)線和金屬納米針尖；

改變量子點(diǎn)周圍電極上的電壓大小來(lái)調(diào)整量子點(diǎn)內(nèi)的電子數(shù)量和能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)；從金屬納米針尖引入激光脈沖激發(fā)量子點(diǎn)中的量子態(tài)，并由量子點(diǎn)和鄰近的金屬納米顆粒陣列中的金屬納米顆粒之間的近場(chǎng)相互作用激發(fā)表面等離激元量子態(tài)，該量子態(tài)沿著金屬納米顆粒陣列方向傳輸，最終通過(guò)錐形金屬納米導(dǎo)線將量子態(tài)傳輸?shù)搅孔有酒械钠渌骷?/p>

優(yōu)選地，所述金屬納米顆粒為采用銀或金材料制作的球狀結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述球狀結(jié)構(gòu)的半徑R與所述金屬納米顆粒陣列中相鄰兩顆金屬納米顆粒的間距d滿足：R≤d/3，d遠(yuǎn)小于工作光波的波長(zhǎng)。

優(yōu)選地，所述量子點(diǎn)與所述金屬納米顆粒陣列中最近的金屬納米顆粒的距離在R與d之間調(diào)整。

優(yōu)選地，所述金屬納米導(dǎo)線靠近所述金屬納米顆粒陣列的一端呈錐形形狀。

在外界光的照射下，金屬納米顆粒中的電子會(huì)發(fā)生群體移動(dòng)，從而使得金屬納米顆粒中的電子密度發(fā)生重新排布，這樣就在金屬顆粒界面內(nèi)外分別重新產(chǎn)生電場(chǎng)，形成表面等離激元。由于金屬納米顆粒界面將自由電子束縛于金屬顆粒內(nèi)，所以電子的群體移動(dòng)也就被局限于金屬納米顆粒中，而這時(shí)產(chǎn)生的表面等離激元被稱為局域化表面等離激元。

金屬納米顆粒局域化表面等離激元的存在使得金屬納米顆粒外表面處近場(chǎng)范圍內(nèi)的電場(chǎng)非常強(qiáng)，這時(shí)的每個(gè)金屬納米顆?？梢员豢醋鳛橐粋€(gè)電偶極子。當(dāng)另一個(gè)金屬納米顆粒被置于存在局域化表面等離激元的某個(gè)金屬納米顆粒的近場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，由于電磁相互作用，電場(chǎng)將激發(fā)該金屬納米顆粒的電子振蕩，從而實(shí)現(xiàn)該金屬納米顆粒的局域化表面等離激元的激發(fā)并實(shí)現(xiàn)傳輸。在金屬納米顆粒陣列中，每個(gè)金屬納米顆粒的直徑都遠(yuǎn)小于激發(fā)波長(zhǎng)。當(dāng)金屬納米顆粒間的間距d為波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)時(shí)，相鄰納米顆粒的相互作用與d^-1相關(guān)；而當(dāng)顆粒間距d遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，近場(chǎng)作用與d^-3相關(guān)。

金屬納米顆粒陣列支持相對(duì)于陣列取向的縱向和橫向方向上的電子電荷密度振蕩。與陣列取向一致的錐形金屬納米線收集縱向模式的表面等離激元，若要收集橫向模式的表面等離激元，只需將錐形金屬納米線順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度。錐形金屬納米線可以與量子芯片內(nèi)的其他器件耦合，以此實(shí)現(xiàn)量子芯片的高度集成。

本發(fā)明相比于傳統(tǒng)的光學(xué)腔或離子阱方案優(yōu)勢(shì)在于可以和半導(dǎo)體制造技術(shù)及經(jīng)典電子技術(shù)相結(jié)合，便于實(shí)現(xiàn)量子芯片的高度集成。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例中表面等離激元量子信息傳輸線示意圖，圖中：QD表示半導(dǎo)體量子點(diǎn)、MNP表示納米金屬顆粒、NM表示錐形金屬納米導(dǎo)線、Nanotip表示金屬納米針尖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。

結(jié)合圖1，本發(fā)明提供的一種表面等離激元量子信息傳輸線，包括采用半導(dǎo)體工藝生長(zhǎng)量子點(diǎn)，以及結(jié)合微細(xì)加工技術(shù)制作金屬納米顆粒陣列、錐形金屬納米導(dǎo)線和金屬納米針尖。

其制作過(guò)程如下：

在GaAs襯底上采用Stranski-Krastanov等半導(dǎo)體工藝自組織生長(zhǎng)InAs量子點(diǎn)，并采用電子束光刻、聚焦離子束刻蝕等微細(xì)加工技術(shù)制作金屬納米顆粒陣列、金屬納米導(dǎo)線和金屬納米針尖。金屬納米顆?？梢圆捎勉y或金材料，為球形形狀，球狀半徑R與顆粒間距d滿足R≤d/3，d遠(yuǎn)小于工作光波的波長(zhǎng)，在本例中可以設(shè)定R＝20納米，d＝60納米。量子點(diǎn)與金屬納米顆粒距離可以在R與d之間調(diào)整。金屬納米導(dǎo)線靠近金屬納米顆粒的一端呈錐形形狀。

改變量子點(diǎn)周圍電極上的電壓大小來(lái)調(diào)整量子點(diǎn)內(nèi)的電子數(shù)量和能級(jí)精細(xì)結(jié)構(gòu)；從金屬納米針尖引入激光脈沖激發(fā)量子點(diǎn)中的量子態(tài)，并由量子點(diǎn)和鄰近的金屬納米顆粒陣列中的金屬納米顆粒之間的近場(chǎng)相互作用激發(fā)表面等離激元量子態(tài)，該量子態(tài)沿著金屬納米顆粒陣列方向傳輸，最終通過(guò)錐形金屬納米導(dǎo)線將量子態(tài)傳輸?shù)搅孔有酒械钠渌骷?/p>