单光子器件及应用

光子的特性十分奇特,既体现出波动性,又具有粒子特性.通常情况下在光电子器件中展示的这些特性是多个光子的集中体现,即使在性能优良的激光器中,发射的光子也不可能做到理想的全同,从而造成输出激光谱线的展宽、相干长度的缩短、偏振特性的消弱以及相位噪声的产生.唯独当光电子器件在任意时刻仅发射一个光子时,光子的优异特性才被完美地展示出来,此时的器件称之为单光子器件.单光子器件输出的光子具有很好的量子效应.单光子器件不仅在量子通信加密、量子计算领域有广阔的应用前景,在生物医学成像、精密仪器测量等领域也将发挥极为重要的作用. 理想的单光子发射器件应能在任意时刻发射单个光子,并且发射单个光子的概率为１;每个光子在理想量子通道的效率具有统一性;每个光子应该无法区分,具有全同性.作为量子信息技术核心光源的单光子发射器,发射的光子应满足确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率这四个严苛的条件.因此,在实际中要获得满足上述苛刻条件的单光子器件,几乎是难以实现的.尽管国际上众多学者已报道在单光子源方面取得了重大的研究成果,但是目前在实验室中被大量使用的仍然是准单光子源. 本书的作者CharlesSantori、DavidFattal和YoshihisaYamamoto分别是美国HewlettＧPackard实验室的资深研究员和斯坦福大学的著名教授,他们均具有深厚的理论基础和丰富的光电子器件制备经验.原著内容丰富,论述言简意赅,由浅入深,主要聚焦尺寸小、工作稳定且可大范围集成的固态单光子源的基本原理、实验技术和潜在的应用.第１章通过引入表征单光子源的重要参数,阐明了单光子源与标准光源的不同之处,综述了６０年的单光子产生历史.第２章描述了基于放置在腔内的二能级量子发射体的自发辐射的*简单的单光子产生技术,介绍了电偶极子和旋波近似下量子发射体与杂散辐射连续体耦合的理论模型,并指出单光子波形、外耦合输出效率以及相对相移可表征单光子器件的性能.第３章描述了基于ΛＧ型结构的三能级原子中的相干拉曼散射按需产生单光子的可选方案,并分析了自发辐射的不利效应、激发态的退相干以及多激发态对拉曼跃迁的影响.第４章针对自发辐射过程或拉曼跃迁介绍了各种退相干过程对光子发射特性的影响.第５章简要地回顾了用于表征固态单光子源的实验技术.第６章详细描述了在光频产生单光子的InAs量子点、金刚石中的氮空位缺陷中心以及GaAs和ZnSe的浅层杂质三个固态类原子系统,及其作为基于自旋的量子信息处理系统.第７章介绍了一种极其重要的光学微腔高性能单光子源.第８章阐述了单光子源的潜在应用. 本书为学习单光子源的基本理论、实验技术以及潜在的应用提供了重要的资料,也可作为相关专业的高年级本科生、研究生、科研和工程技术人员深入了解单光子器件及应用的参考书.