纳米结构中两个量子辐射子的强辐射耦合和长时间相干

本文是一篇工程硕士论文，本文提出的设计，利用强辐射耦合和长时间相干特性，可以开发高效的量子中继器，构建高效率量子态传输通道，延长量子通信的传输距离。为量子信息中的量子信息交换和可控逻辑门操作，提供了可行的方案。
1 绪论
1.1 量子信息学
随着科学技术的不断发展，社会的数字化程度不断增长，人们的生活需求和对品质的追求持续攀升，依托于经典信息学的各个领域却被极大地限制。例如，经典计算机受制于冯・诺依曼架构和物理极限，计算速度难以提升且能耗高，处理复杂任务时效率低下且并行能力不足；通信系统面临传输容量瓶颈与信号损耗干扰，难以满足高速大带宽需求；加密技术因量子计算威胁存在安全漏洞；存储介质存在密度限制与稳定性问题，难以承载数据爆炸式增长。因此，急需一种全新的理论和技术体系，能够突破这些物理层面和技术原理上的局限。
二十世纪初，普朗克提出的量子化假设开启了量子力学的大门，人们开始了对微观世界的深入探索。经过爱因斯坦、玻尔、薛定谔等众多科学家的不断深入研究，量子力学理论得以逐步丰富和完善，最终形成了今天我们所熟知的科学体系，与相对论一起被认为是现代物理学的两大基本支柱。随着量子力学的逐渐成熟，人们不仅对身边各种物质背后的量子力学规律有了更加清晰的认识，而且在此基础上催生出半导体、激光、超导体、纳米材料等各种高新技术[1]，这使得人们的生活得到了极大的改善。而随着电子技术的不断发展，人们开始尝试将量子特性应用于信息领域的探索。自此，量子力学与信息领域开始不断融合，形成了量子信息学。
量子信息学是一门新兴交叉学科，以量子光学、量子电动力学和量子信息论等学科作为直接的理论基础，以计算机科学与技术、通信科学与技术、激光科学与技术等作为主要的技术基础，以光子和电子作为信息和能量的载体，利用量子力学基本原理实现信息的存储、传输和处理，为信息科学带来革命性变革。它主要包含量子计算、量子通信和量子测量等分支。各分支凭借独特的量子特性，在金融、医疗、能源、国防等众多领域发挥着重要作用。其中，量子通信是一项具有革命性意义的技术。它凭借量子力学的奇妙特性，以量子比特的叠加和量子纠缠为核心，通过量子态的传输来实现信息的传递。与传统通信技术相比，量子通信安全性极高，能够有效抵御各种窃听和攻击，且传输效率远远超过传统技术，能够快速处理和传递大量信息，保障国家和企业的核心利益，推动科学研究的发展，为量子计算、量子模拟等领域的研究提供重要的基础[2]。
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1.2 量子辐射子
量子通信作为一种基于量子力学原理的前沿通信技术，正逐渐改变着我们对信息传输的理解和方式。它利用了量子态的独特性质，如量子纠缠和量子比特，来实现信息的传输和处理，具有超高的安全性和强大的计算能力。在量子通信的过程中，信息不再以传统的经典方式进行传输，而是通过量子态的变化来实现。量子态是一种极其特殊的物理状态，它具有不确定性和纠缠性等独特性质，使得信息在传输过程中能够受到更高程度的保护，防止被窃听和干扰。
量子通信的核心是利用量子态传输信息，而量子比特是信息的基本载体。量子比特可以处于0和1的叠加态，这种叠加态使量子信息能够同时存在于多个状态中，实现信息的高效编码和传输。而量子比特的实现载体是量子辐射子，量子辐射子是一种能够与光子相互作用，并对光子的状态进行精确控制的微观粒子。它们可以通过外部激光场或电场激发到特定量子态，并通过与光子的相互作用传递信息。此外，量子辐射子的量子态还可以通过与其他量子辐射子的相互作用来实现纠缠，这种纠缠态使得量子信息在传输过程中具有更高的安全性和保密性。
通过对量子辐射子的精确控制，可以实现量子比特的制备、传输和测量。而量子辐射子不仅可以从高能级辐射出一个携带量子信息的光子后跃迁到低能级，还能够吸收一个光子，从低能级激发到高能级。所以通过检测光子的辐射和吸收情况，即利用量子辐射子的跃迁特性可以实现量子比特的测量和读出。因此，要实现高效、可靠的量子通信，关键在于量子辐射子。在实际应用中，常见的量子辐射子有原子、分子、量子点、半导体中缺陷分子等[5]，如图1-2所示。它们的存在使得量子通信能够在微观世界中实现信息的传输和存储，为量子通信技术的发展提供了坚实的基础。

代写工程硕士论文不同类型量子图

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2 理论基础和仿真软件
2.1COMSOL Multiphysics软件
COMSOL Multiphysics是一款强大的用于解决多物理场耦合问题的仿真软件，以灵活的模块化设计和强大的多物理场模拟能力为特点，广泛应用于工程、科研及工业领域。其核心功能是以有限元法为基础，通过数值求解模拟电磁场、热力学、流体力学、结构力学等领域物理问题，允许用户进行建模、仿真、分析和优化。主要优势在于多物理场耦合能力，可同时处理多个物理现象，其模块化设计使用户能选择和组合不同物理模块创建复杂跨学科仿真模型，还提供丰富的后处理工具，用于分析和可视化结果。该软件应用领域广泛，涵盖电磁场仿真、热力学与传热分析、流体力学仿真、结构力学仿真、化学反应工程以及生物医学仿真等。
本论文采用COMSOL Multiphysics中波动光学模块的电磁波（波长域）部分，仿真了多种纳米结构中不同波长的电偶极子源激发的电场强度。仿真步骤如下：
（1）创建模型：根据研究需要，使用内置工具并应用布尔计算，绘制银椭球、银纳米直线、银纳米直线-弧线、光子晶体L3腔等几何结构。
（2）定义材料属性：一方面采用软件自带的材料库中的银材料，另一方面手动设置背景介质和光子晶体L3腔单晶硅的折射率。
（3）定义源项及边界条件：采用电偶极子源和完美匹配层（PML）吸收边界条件。
（4）网格划分：利用软件自动划分网格的功能，先进行初步划分，接着对所要研究的重点区域进行局部网格精细化，从而节省计算机的计算空间和计算时间，并且提高计算精度。
（5）求解设置：根据需求设置求解器，采用迭代求解器、直接求解器等；根据仿真的需求，合理设置求解的时间范围、步长、收敛精度等参数。
（6）结果可视化及后处理：采用软件提供的结果可视化工具，生成纳米结构的几何结构、本征模式的电场强度空间分布等计算结果，输出电偶极子源与探测点的电场强度等。
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2.2单椭球
当纳米线长度L从a增加到7a，纳米线直径固定为D =b时，如图3-5(a)的LCS和图3-5(b)的TR所示，在短波长侧出现了更多节点数n较高的模式，而相同节点数n对应的峰（谷）向较长波长方向移动。这种红移行为类似于圆柱形等离激元纳米棒[62, 70]，可以用等离激元振荡模型[71]来解释。在实施中，根据两个目标量子辐射子的跃迁波长，可以通过调整纳米线长度L来显著调节银纳米直线的谐振波长。此外，如图3-5 (c)的LCS和图3-5 (d)的TR所示，当纳米直线长度L从4a增加到7a时，相同节点数n的峰（谷）值变化很小。
显然，两个量子辐射子之间的辐射耦合强度对纳米线长度L具有相当强的鲁棒性。由于等离激元在银纳米直线上的传播长度很长[72, 73]，大多数光场被紧紧地限制在两个银领结腔内，因此两个量子辐射子的电场随着L的增加几乎保持不变。这一特性保证了该银纳米直线仍然可以实现两个距离较远的量子辐射子之间的强辐射耦合。
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3 银纳米结构中两个量子辐射子的强辐射耦合 ............................ 24
3.1 单椭球 ......................................... 24
3.2 带椭球的银纳米直线 .................................. 26
3.3 带椭球的银纳米直线—弧线 ................... 31
4 杂化纳米结构中两个量子辐射子的强辐射耦合和长时间相干 ....................... 45
4.1 光子晶体L3腔 .................................... 45
4.2 椭球腔 ............................................ 47
4.3 椭球腔—光子晶体L3腔杂化纳米结构 ............................... 49
5 总结与展望 ................................. 56
5.1 总结 .................................... 56
5.2 展望 ....................................... 56
4 杂化纳米结构中两个量子辐射子的强辐射耦合和长时间相干
4.1 光子晶体L3腔
为了增大两个量子辐射子之间能量转移和量子信息传输的距离、减小传输损耗，我们采用一个具有超高品质因子的光子晶体L3腔[25]，如图4-1(a)所示。光子晶体平板长度为L=25a'，宽度为W=7 3a'，平板厚度为h=0.6a'，折射率为3.4，空气孔半径为r=0.29a'，呈三角晶格，晶格常数为a'=420 nm。移除最中心x方向上的三个相邻的空气孔，形成线缺陷，得到光子晶体L3腔。为了进一步提高光子晶体L3腔的品质因子，先将x方向最近邻的两个空气孔向外移动0.2a'，再将x方向次近邻的两个空气孔向外移动0.025a'，最后将第三近邻的两个空气孔向外移动0.2a'。
我们在光子晶体L3腔中位置(0.85a',0,0)和(−0.85a',0,0)处，分别插入A和B两个量子辐射子。因为腔模在这两个位置的电场强度沿着y方向，为了辐射耦合强度达到最强，我们将两个量子辐射子的跃迁偶极矩Ad和Bd沿着y方向取向。

代写工程硕士论文光子结构图

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5 总结与展望
5.1 总结
两个量子辐射子之间的辐射耦合能够实现单个量子的能量转移和量子信息传输。在本文中，我们分别提出了银纳米直线-弧线和椭球腔—光子晶体L3腔杂化纳米结构，实现了两个量子辐射子之间的强辐射耦合和长时间相干。
首先，设计了银纳米直线—弧线。半椭球端和附属椭球组成的领结腔能够增强量子辐射子的局域耦合强度。银纳米直线—弧线作为等离激元波导，能够介导被增强的两个量子辐射子之间的辐射耦合。研究表明，增加长度或者减小直径时，银纳米直线—弧线的共振波长发生红移。改变弧线的弧度时，银纳米直线—弧线的共振波长、局域耦合强度、传输速率、拉比劈裂、布居数演化、反交叉特性等具有鲁棒性。因此，银纳米直线—弧线能够实现任意跃迁波长、位置、偶极取向的两个量子辐射子之间的强辐射耦合。
其次，将具有超强局域电场强度的椭球腔，嵌入具有超高品质因子的光子晶体L3腔中，设计出了椭球腔—光子晶体L3腔杂化纳米结构。改变光子晶体L3腔的晶格常数时，椭球腔的共振波长分别位于光子晶体L3腔的导带、禁带和价带中。不同杂化纳米结构的不同杂化模式，均能实现两个量子辐射子之间的强辐射耦合和长时间相干。
本文提出的设计，利用强辐射耦合和长时间相干特性，可以开发高效的量子中继器，构建高效率量子态传输通道，延长量子通信的传输距离。为量子信息中的量子信息交换和可控逻辑门操作，提供了可行的方案。但是，当前纳米制造精度方面存在技术壁垒，电子束光刻技术的定位误差难以满足要求。
参考文献（略）