量子与光学

量子与光学

——量子光学领域的历程、进展以及量子点

徐慧远

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一、量子光学

在经典力学中，生活的简单的。颗粒就是颗粒，波就是波，并且我们确切地知道事物存在的位置和状态。然而，任何一个学过物理的人都会告诉你，在量子领域，问题就变得复杂多了。下面我将从一个特别的视角来描述量子——量子光学，把量子理论和光学结合在一起构成了一个奇特，精彩的世界。

根据澳大利亚昆士兰大学的量子光学领域的专家Gerard Milburn的说法，这一领域的研究要追溯到上世纪60年代。值得一提的是，哈佛大学的Roy Glauber教授最先开始量子电磁场的相干光研究，并以此获得了诺贝尔奖。

Milburn解释道，“Roy在光学干涉实验中展示了已经广为人知的相干性质领域的量子状态。尽管这证实了特定的场态会从经典光学中重新得到已知的结果，但是这一新的量子光学领域表明了独特的量子表现将会变成某些类型情境的证据”。“通过理论科学家和实验科学家之间的紧密的交流，这一学科在上世界60至90年代之间的历史可以看成是一种这一前景的稳固的实现。”

根据Milburn的说法，上世界70年代是研究光子计数统计的量子特性的最重要的10年，并且在预言和观测光子的反聚束方面达到了顶峰。在随后的80年代科学家们又反过头来补充研究光的波动性，重点关注于相位依赖特性。在90年代，纠缠态的非经典方面又成为了研究的主要领域，随后出现了贝尔不等式这些具有先驱性的成果。

90年代还见证了在原子凝聚物和量子信息这些新领域的分歧，并且取得了重大的进步。量子光学早90年代早期就已成为量子信息理论领域的一些新思想的理想的实验土壤，并且之后取得了巨大的成功。许多更加令人称奇的关于量子理论的预言（包括电子传输和反贝尔不等式）都已经被证实在量子光学领域具有惊人的可靠性。Milburn还解释了这些巨大成功的原因：

“实验室要想达到光频段，温度就必须极其低。因而光频段的热激发通常可以忽略的，因此可以直接研究量子相干性而不用去考虑热噪声产生的隐藏的影响。当然，必须得考虑自发辐射和光子吸收，”Milburn还提到“这一领域的大部分的进展都是来自于减轻这些热噪声影响从而得到相干量子控制的一个非凡的水平，尤其是在量子通信协议方面，比如说量子密匙分配。”

那么将来这一领域将会怎样呢？下一个十年，量子光通信和计算无疑将会继续取得重大的成果。Nature的一篇社论中高度评价了量子信息协议的实现在近些年取得的进展。目前应用方面主要受到硬件方面的限制，尤其是光子探测器和可靠的单光子源的需求。好消息是有文章表明在这方面已经有了稳步的进展。

近来在处理要求更高的任务时所涉及到的量子光学系统定标方面的一项非常重要的发展就是集成光学电路的应用，这打开了片上量子光学实验的这一具有有人前景的大门。已有文章报道了实现了具有很高集成度的器件，从而避免了繁

琐的装置（见下图）。如果将来光源和探测器都能够集成在芯片上，那么就算是再复杂的量子装置也会实现。

量子光学的应用不仅仅限制在通信和信息处理方面，根据Konrad Banaszek, Rafa? Demkowicz-Dobrzan s ki 和?Ian Walmsley等人在Nature上的评论，量子理论还在度量和测量的极限精度定义方面扮演了重要的角色。确实，通过仔细地准备和利用量子态，我们有可以在测量不确定性方面达到一个前所未有的高度与水平。

根据Milburn的话说，量子计算是我们得以在量子水平控制世界的能力的极限测试手段，并且已经被证明具有重大的先进性，特别是基于量子计算的测量形式方面。不仅是在量子计算方面而且在其他很多时间常数重叠得不是很好的量子处理方面，其中一个关键部分就是量子光学储存器。幸运的是，这方面也有了很多新的进展，都发表在了Nature上。

量子光学这一学科无疑将会继续在新技术的方面上扮演重要的角色，但是Anton Zeilinger说到，“如果我们能够向历史学习，那么使人们最终受益的那些应用就不仅仅是我们今天所讨论的这些了”。

二、量子点

下面结合我所在课题组的研究课题，讨论一下量子光学领域最新的方研究向——量子点。

1、量子点定义

人们普遍都相信，物质组成决定了它的光电性质。尽管事实经常确实是这样的，但是当半导体的尺寸按比例急剧缩小时，它们却往往表现出跟对应的大块器件非常不同的性质。确实如此，量子点——半径范围为2到10纳米的半导体纳米晶体——由于量子限域效应表现出了跟尺寸相关的光学性质。这些性质中最引

人注目的是：量子点发出的单色光不仅非常高效，而且能够简单地通过改变尺寸大小来调整。

量子点是准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略的说，量子点的三个维度的尺寸都在100纳米以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能级结构，因此量子点又被称为“人造原子”。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在21世纪的纳米电子学上有极大的应用潜力。

若要严格定义量子点，则必须由量子力学出发。电子的物质波特性取决于其费米波长。

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在一般的材料中，电子的波长远小于材料的尺寸，因此量子局限效应不显著。如果将某一个维度的尺寸缩到小于一个波长，此时电子只能在另外两个维度所构成的二维空间中自由运动，这样的系统我们称之为量子阱；如果我们再将另一个维度的尺寸缩到小于一个波长，则电子只能在一维方向上运动，我们称之为量子线；当三个维度的尺寸都缩到一个波长以下时，就成为量子点了。

由此可见，并非小到100nm以下的材料就是量子点，真正的关键尺寸是由电子的德布罗意波长或平均自由程。一般而言，电子费米波长在半导体内较在金属内长得多，例如在半导体材料砷化镓GaAs中，费米波长约40nm，在铝金属中却只有0.36nm。

量子阱、量子线、量子点能级比较关系示意图

2、量子点研究的历史

70 年代，量子点由于其独特的光学特性,认为其应用主要集中在电子与光学方面。

80 年代，生物学家已经对量子点产生了浓厚的兴趣，但由于它的荧光量子产率低，工作集中在研究量子点的基本特性方面。

1997 年以来，量子点制备技术的不断提高, 量子点已越来越可能应用于生物学研究。

量子点可作为生物探针是从1998年Alivisatos AP. 和Chan WC两个研究小组开始，此后量子点的功能进一步被发现、推广，使之成为生物学领域研究的热点。

3、量子点的制备方法

目前，量子点的制备方法主要有以下四种.

1、化学溶胶法(chemical colloidal method)：以化学溶胶方式合成，可制作复层量子点(multilayered)，过程简单，且可大量生产。

2、自组成法(self-assembly method)：采用分子束磊晶(molecular-beam epitaxy)或化学气相沉积(chemical vapor deposition)过程，并利用晶格不匹配(lattice mismatch)的原理，使量子点在特定基材表面自聚生长，可大量生产排列规则的量子点。

3、微影蚀刻法(lithography and etching)：以光束或电子束直接在基材上蚀刻制作出所要之图案，由于相当费时因而无法大量生产。

4、分闸法(split-gate approach)：以外加电压的方式在二维量子井平面上产生二维局限，可控制闸极改变量子点的形状与大小，适合用于学术研究，无法大量生产。

本实验室所用的第一种方法，化学溶胶法，所制出的量子点称为胶体量子点。

4、胶态量子点的用途和相关进展

由于量子限域效应表现出了跟尺寸相关的光学性质。这些性质中最引人注目的是：量子点发出的单色光不仅非常高效，而且能够简单地通过改变尺寸大小来调整。

此外，将这样的量子点悬浮于一种有机聚合物溶液之中后能让它们用于打印或者泼于基质上，就像光子墨水一样，从而为简易低成本的制作打开一扇大门。有了高效和窄带的光发射现象，这意味着这些悬浮的小半导体点从现在起将用于开发廉价的高亮度LED，从而应用于发光显示行业、生物成像的荧光标记和宽带太阳电池等等，这只是列举一二。

量子点能够在LED领域大显身手多亏了它能够轻易被人们调整色彩、产生极高亮度和狭窄的发射频带。尽管如此，能量势垒和向量子点层注入电子技术却让设备的表现大打折扣。

来自三星高级技术研究院的Kyung-Sang Cho和同事们将阐述用一种交叉耦合的方法和加热熟炼的技术来克服胶状量子点层的能量势垒，用到了一种经过sol-gel处理的二氧化钛作为电子传输层。这种设备显示出了非常高的光亮度和很低的开启电压。当运用于显示设备时，这种方法显示出了极好的潜力，能有高效率、制造简便、大面积显示的优点。

另一方面，胶态量子点也能被用于生产红外光电二极管。

有一些公司正致力于大量生产量子点产品，用于研发从显示产业到生物医疗成像再到光伏业以及量子墨水的应用，以期得到巨大的收益。

多伦多大学的Edward Sargent勾画了基于胶态量子点的溶液处理光伏材料的未来。他解释到，这种技术的吸引力正是它能够减少太阳能电池板平均面积造

价的前景，并且可以提高对红外波长段的吸收，这部分光线恰恰包含了太阳能的大部分能量。

我们能够非常有信心地说：胶态量子点背后的研究正在不断扩大，今后我们的世界中迟早会由于它带来显著的变化，让我们用上更明亮多彩的显示器、有能效的照明设备和客户定制的荧光生物成像标签。