物理所在光子晶體微腔和量子點的耦合系統(tǒng)中首次實現(xiàn)雙光子Rabi劈裂

光與物質(zhì)的相干相互作用為量子系統(tǒng)的操控提供了有力的方法，而Rabi振蕩就是這樣的一個相干過程。Rabi振蕩可以實現(xiàn)體系在兩個態(tài)之間快速的轉(zhuǎn)換，為量子信息處理提供基礎(chǔ)。而且多光子的Rabi振蕩還為多量子比特的操控提供了新的載體，對光量子信息處理具有極其重要的意義，有望實現(xiàn)量子光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。通過光在腔中諧振可以大大提高光與物質(zhì)的相互作用，因此可以利用微腔實現(xiàn)光子與二能級或多能級體系的Rabi振蕩。其中光子晶體微腔具有極高的品質(zhì)因子(Q)、較小的模式體積以及較強(qiáng)的可調(diào)節(jié)性和可集成性，從而得到了廣泛的研究。目前，利用光子晶體微腔與量子點已經(jīng)實現(xiàn)了微腔與量子點能級的單光子Rabi振蕩，但是由于耦合強(qiáng)度低以及量子點的雙激子束縛能較大，向多光子體系的擴(kuò)展進(jìn)展緩慢，一直是該領(lǐng)域的重點研究方向。近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心許秀來課題組與微加工實驗室研究員顧長志及光物理重點實驗室研究員金奎娟等合作，在國際上首次利用光子晶體微腔和量子點中多激子的耦合系統(tǒng)實現(xiàn)了雙光子Rabi劈裂，文章發(fā)表在近期的《物理評論快報》（Physical Review Letters）上，錢琛江為該論文第一作者。

　　為了提高耦合強(qiáng)度、降低雙激子束縛能，他們設(shè)計并生長了一批具有低點密度、大尺寸的量子點，其能級圖如圖1（a）所示。他們通過調(diào)整光子晶體微腔兩側(cè)空氣孔的位置和半徑，設(shè)計出了具有較高Q的光子晶體微腔，理論值可達(dá)105量級，并通過高精度微加工過程制備了光子晶體微腔, Q值可達(dá)12000，其掃描電子顯微鏡圖像如圖1（b）所示。通過共聚焦系統(tǒng)測量了4.2 K下該體系的熒光光譜，利用溫度調(diào)節(jié)實現(xiàn)了量子點能級與微腔共振，觀測到了單個量子點中激子和雙激子態(tài)與微腔的強(qiáng)耦合，耦合強(qiáng)度均為130 μeV，實驗結(jié)果如圖2所示，比同類型的雙激子器件的耦合強(qiáng)度提高2倍。同時由于量子點小的雙激子束縛能，微腔能夠同時與激子和雙激子態(tài)耦合，且耦合強(qiáng)度高于該系統(tǒng)下發(fā)生雙光子劈裂的閾值（理論分析如圖3所示），通過分析該過程中強(qiáng)度與線寬的變化，觀測到了兩個單光子過程衰減的區(qū)域（如圖4所示），證明了雙光子Rabi劈裂的存在。因此他們在實驗上首次利用光子晶體微腔和量子點的耦合系統(tǒng)實現(xiàn)了雙光子Rabi劈裂，并且與理論計算的結(jié)果符合。他們的工作將微腔和點的強(qiáng)耦合體系由單光子過程推進(jìn)到多光子過程，為多量子比特的操控提供了手段。

　　該工作得到了國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：11721404, 51761145104, 61675228）、國家“973”計劃（批準(zhǔn)號：2014CB921003)、中科院B類先導(dǎo)（批準(zhǔn)號：XDB07030200，XDPB0803）以及中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊等項目的資助。
　　

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圖1 (a) 量子點能級圖。其中，XX代表雙激子態(tài)，X代表激子態(tài)，由于精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂，X態(tài)劈裂為兩支，分別為XH, XV。（b）光子晶體微腔的SEM圖像。

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圖2 (a) 不同溫度下的熒光光譜。（b）峰值隨溫度的相對變化關(guān)系。虛線表示未耦合系統(tǒng)腔模及量子點隨溫度的變化。

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圖3 (a) 耦合強(qiáng)度較大時腔-點系統(tǒng)的能級結(jié)構(gòu)圖。（b）上圖：耦合強(qiáng)度為70μeV和120μeV時，由|XX,0>、|X,1>和|G,2>形成的三個極化激元的本征值隨腔模的變化。下圖：雙光子Rabi劈裂能量隨耦合強(qiáng)度的變化。