一种表面等离激元量子信息传输线的制作方法

本发明涉及一种基于量子点-金属纳米颗粒阵列结构的表面等离激元量子信息传输线，属于量子信息应用领域。

背景技术：

量子信息处理一般应用传统的光学腔或离子阱制备操控量子态。光学腔系统是将俘获的原子约束在光学腔中，利用原子能级和光子状态作为量子比特，实现原子和光子之间信息的交换。离子阱系统是用束缚在势阱中离子的精细结构能级和离子的集体振动声子状态作为量子比特，由激光诱导产生跃迁来实现量子比特的操控。

上述技术中，量子信息处理系统的集成都需借助传统的光学元件来实现。而传统的光学器件由于衍射极限这一物理限制，器件尺度不能小于其光波波长的大小。因此，通常的量子信息处理系统都采用各种分立元件，各元件大小都在微米以上量级。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种量子点和金属纳米颗粒阵列结构，利用表面等离激元实现纳米光子量子信息传输和处理。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种表面等离激元量子信息传输线，其特征在于，包括采用半导体工艺生长量子点，以及结合微细加工技术制作金属纳米颗粒阵列、锥形金属纳米导线和金属纳米针尖；

改变量子点周围电极上的电压大小来调整量子点内的电子数量和能级精细结构；从金属纳米针尖引入激光脉冲激发量子点中的量子态，并由量子点和邻近的金属纳米颗粒阵列中的金属纳米颗粒之间的近场相互作用激发表面等离激元量子态，该量子态沿着金属纳米颗粒阵列方向传输，最终通过锥形金属纳米导线将量子态传输到量子芯片中的其他器件。

优选地，所述金属纳米颗粒为采用银或金材料制作的球状结构。

优选地，所述球状结构的半径R与所述金属纳米颗粒阵列中相邻两颗金属纳米颗粒的间距d满足：R≤d/3，d远小于工作光波的波长。

优选地，所述量子点与所述金属纳米颗粒阵列中最近的金属纳米颗粒的距离在R与d之间调整。

优选地，所述金属纳米导线靠近所述金属纳米颗粒阵列的一端呈锥形形状。

在外界光的照射下，金属纳米颗粒中的电子会发生群体移动，从而使得金属纳米颗粒中的电子密度发生重新排布，这样就在金属颗粒界面内外分别重新产生电场，形成表面等离激元。由于金属纳米颗粒界面将自由电子束缚于金属颗粒内，所以电子的群体移动也就被局限于金属纳米颗粒中，而这时产生的表面等离激元被称为局域化表面等离激元。

金属纳米颗粒局域化表面等离激元的存在使得金属纳米颗粒外表面处近场范围内的电场非常强，这时的每个金属纳米颗粒可以被看作为一个电偶极子。当另一个金属纳米颗粒被置于存在局域化表面等离激元的某个金属纳米颗粒的近场范围内时，由于电磁相互作用，电场将激发该金属纳米颗粒的电子振荡，从而实现该金属纳米颗粒的局域化表面等离激元的激发并实现传输。在金属纳米颗粒阵列中，每个金属纳米颗粒的直径都远小于激发波长。当金属纳米颗粒间的间距d为波长数量级时，相邻纳米颗粒的相互作用与d^-1相关；而当颗粒间距d远小于波长时，近场作用与d^-3相关。

金属纳米颗粒阵列支持相对于阵列取向的纵向和横向方向上的电子电荷密度振荡。与阵列取向一致的锥形金属纳米线收集纵向模式的表面等离激元，若要收集横向模式的表面等离激元，只需将锥形金属纳米线顺时针或逆时针旋转90度。锥形金属纳米线可以与量子芯片内的其他器件耦合，以此实现量子芯片的高度集成。

本发明相比于传统的光学腔或离子阱方案优势在于可以和半导体制造技术及经典电子技术相结合，便于实现量子芯片的高度集成。

附图说明

图1是实施例中表面等离激元量子信息传输线示意图，图中：QD表示半导体量子点、MNP表示纳米金属颗粒、NM表示锥形金属纳米导线、Nanotip表示金属纳米针尖。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

结合图1，本发明提供的一种表面等离激元量子信息传输线，包括采用半导体工艺生长量子点，以及结合微细加工技术制作金属纳米颗粒阵列、锥形金属纳米导线和金属纳米针尖。

其制作过程如下：

在GaAs衬底上采用Stranski-Krastanov等半导体工艺自组织生长InAs量子点，并采用电子束光刻、聚焦离子束刻蚀等微细加工技术制作金属纳米颗粒阵列、金属纳米导线和金属纳米针尖。金属纳米颗粒可以采用银或金材料，为球形形状，球状半径R与颗粒间距d满足R≤d/3，d远小于工作光波的波长，在本例中可以设定R＝20纳米，d＝60纳米。量子点与金属纳米颗粒距离可以在R与d之间调整。金属纳米导线靠近金属纳米颗粒的一端呈锥形形状。

改变量子点周围电极上的电压大小来调整量子点内的电子数量和能级精细结构；从金属纳米针尖引入激光脉冲激发量子点中的量子态，并由量子点和邻近的金属纳米颗粒阵列中的金属纳米颗粒之间的近场相互作用激发表面等离激元量子态，该量子态沿着金属纳米颗粒阵列方向传输，最终通过锥形金属纳米导线将量子态传输到量子芯片中的其他器件。