5. 制备出性能良好的金属-非线性介质复合结构，利用表面等离激元场增强特性
诱导的非线性光学效应实现控制光对信号光的调制，演示一至二个对信号光调控的原理型器件。
6. 揭示超短脉冲激光量子相干控制及固态系统中超快动力学过程的新现象和
新机制，利用飞秒整形脉冲实现量子点自旋态的亚皮秒超快相干旋转控制，建立超高时间分辨和超高灵敏的新型探测技术系统。
7. 利用MOCVD制备出周期性均匀的量子点层结构，通过这种共振介质中的自
感应透明，拉比翻转等量子效应实现光子的减速、存储、释放，演示工作在近红外波段，调控时间ps～μs 量级的光量子调控原理型器件。
8. 建立基于逆向设计与逆向算法的能自动优化功能性微纳光电子器件设计与
制作的工程实验装置，一次性制备出功能性光量子调控器件，如光子晶体波导、光子晶体微腔及其复合结构器件等。
三、研究方案
(一) 学术思路、技术途径
学术思路：量子信息科学与技术是利用量子力学原理对信息进行操控和传输，其本质就是量子态的调控。要实现真正意义上的量子信息处理，首先必须解决量子比特系统的可拓展性问题，固态量子系统在解决这一问题方面具有天然的优势，特别是基于现代微纳半导体技术的固态量子系统，其应用和最终产业化的可行性更高。然而, 固态量子体系受周边环境的影响比较严重，抑制其退相干，维持其量子相干状态遇到了更大的挑战。克服这一挑战的关键就是在固态系统中实现光子与量子电子系统的强相互作用，在强相互作用区，不仅可以调控电子的量子态性质，还可调控光子的量子态性质及非线性光学特性。因此，本项目的核心科学问题是要在固态系统中实现光与物质的强相互作用，克服环境的退相干影响，从而实现电子态、光子态的量子调控和非线性光学效应。本项目将从三条不同的途径研究固态系统中实现光与物质强相互作用及其量子调控的原理、方法和技术： （i）通过具有强非均匀性电磁场分布的功能微纳结构，如能产生光子局域模的层状平面光学微腔结构和能形成界面模的特异材料（Meta Materials）微纳结构；（ii）通过金属纳米结构及其介电材料复合结构中的表面等离激元效应，这种系统中有非常强的局域场增强效应；（iii）通过超短脉冲激光与物质的强相互作用。超短脉冲激光不仅可产生强耦合相互作用，同时还是量子态动力学性质的一种强有力的表征手段。上述三个方面的研究都将涉及固态量子调控研究中非常重要的一个共性问题：即光量子的操控。基于上述的三种相互作用途径和一个共性问题的学术思想，本项目设立相应的四个课题组：
（1）固态功能微纳电磁介质中光子-电子相互作用的量子调控研究，侧重于量子光辐射控制和量子纠缠新方案的研究；
（2）基于表面等离激元效应的光子-电子相互作用的量子调控研究，侧重于量子光学与非线性光学效应的研究；
（3）超短脉冲激光与物质相互作用的超快动力学及量子相干控制研究，侧重于超快过程、相干效应及量子态的超快操控研究；
（4）光子的量子相干操控及其功能性光量子调控器件研究，侧重于利用量子光学原理开展光子缓存和相关功能性光量子调控器件的研究。
技术途径：首先，我们采用基于平面波展开的转移矩阵方法、Green函数方法及时域有限差分法（FDTD）等发展强有力的数值计算工具，开发出一整套具有自主知识产权的数值计算软件平台，用于准确计算层状微纳结构中的光子局域态密度和光子-量子系统的耦合相互作用。在此基础上，发展和推广我们建立的位置依赖的耦合相互作用理论，研究层状微纳结构中新颖的量子光学现象。根据所建立的模拟软件，优化微纳材料的结构参数和物质参数，设计出功能微纳结构（如高品质平面微腔）及其相应的光电子器件。尤其是优化半导体发光二极管的结构，提高其发光效率；优化单光子发射器的结构，实现快速、高效、方向性好的单光子辐射；优化微腔和波导结构，实现光子-电子共振强相互作用。在模拟各种微纳结构及相应的电磁性能中，进一步优化模拟软件，力争将其推广到市场上，填补我国在这方面的空白。
在层状微纳结构的制备上，我们将主要利用电子束直写设备（Raith－150 e-beam Lithography System）在电子胶上定义图形，通过显影出现二维图形，然后利用反应离子束刻蚀设备（Inductively Couple Plasma Dry Etching System, Oxford Plasmalab system 100-ICP180）将相应的图形依次转移到预期的半导体高折射率层上。在这个过程中，主要需要克服的是：a)如何在提高电子束直写速度的同时又不影响它的精度，b)如何使图形不失真地转移到半导体层上，在这方面我们已积累了一定的经验。对于单量子点的定位和操纵，我们计划采用两种方法，一种是先在半导体层上生长相应的量子点，然后通过标记确定量子点在芯片上的分布，再利用电子束直写定义微腔，从而制备出存在单量子点的微腔，另一种方法是先制备微腔，再用纳米操纵臂将量子点（利用化学方法生长的）移到微腔中的指定位置（我们已经在扫描电子显微镜上安装了具有2nm定位精度的纳米操纵臂，能够完成这样的任务）。此外，还将利用纳米球阵列掩模法、纳米压印法和激光全息和双光子直写等工艺定义纳米结构。我们在纳米球阵列掩模法和激光全息法定义和飞秒激光双光子直写微纳结构上已经积累了丰富的经验，我们将利用这些方法开发出高速、低成本制备纳米表面图形的工艺技术，应用于各种功能微纳电磁结构的制备。
在微纳结构光电特性测试方面，建立独特的微纳结构测试系统。比如利用近场扫描显微系统，探索将飞秒激光耦合进微纳结构，同时控制飞秒激光的模式，
同一时间内探测多个具有单量子点的微腔之间的耦合相互作用。在这个系统中，我们将利用多光纤探针和高倍显微镜同时观察光与物质相互作用的时间演变和空间分布。
在“基于表面等离激元效应的光子-电子相互作用的量子调控研究”方面，首先建立不同纳米金属结构中光子与量子电子系统相互作用的哈密顿体系表示方法，理论上研究通过人工操控的方法（外加电场或者磁场）改变相互作用系统的状态，从而得到相互作用体系演化的内在机制。采用平面波展开的转移矩阵方法、时域有限差分法（FDTD）等工具数值计算不同纳米结构附近的电磁场分布，确定研究体系近场和远场的偏振特性、传输方向和强度等，为实验研究提供理论依据。
在量子光学实验方面，测量不同周期性结构的金属材料对相干光关联度的影响，研究在不同周期性结构的金属材料中利用表面等离子激元效应辅助相干光传送过程中保持空间相干性的物理过程,在此基础上分析相干性在光子和金属表面等离激元之间量子特性保持及转移的物理机制,揭示基于表面等离激元特性实现对量子态操纵与控制的新方法。
在单光子探测器实验方面，利用电子束曝光方法制备不同周期性金属微纳结构，利用近场扫描显微镜探测不同周期性金属微纳结构在极弱光激发条件下产生的表面等离激元场强分布。获得不同周期性金属微纳结构的局域化能力和透射增强效果，结合现有的 InGaAs/InP雪崩二极管和完全拥有自主知识产权的双门复合电路，最后给出实现高速高效的单光子探测器的方案，并演示原理器件。
在对信号光的调控实验方面，首先制备由金属和非线性材料组成的复合纳米结构。用PECVD长二氧化硅作为衬底,用溅射或热蒸发方式在上面镀金属薄膜,用电子束曝光方法在薄膜上制作纳米结构。非线性材料由金属颗粒和介质组成。制备非线性材料将根据介质材料的不同,使用不同的方法,有多靶旋转式溅射法、离子注入法或贵金属与聚合物溶液混合,通过甩胶固化等方式制成。其次采用扫描电子显微镜、原子力显微镜和透射电子显微镜等表征形貌或内部结构。采用z扫描方法和四波混频测量非线性系数和响应时间。最后用超短脉冲控制光和信号光同时照射复合结构，用近场扫描显微镜、CCD和偏振片等测量近场和远场的光场性能参数，发现控制光对信号光的调制规律。并演示一至二个对信号光调控的原理器件。
在“超短脉冲激光与物质相互作用的超快动力学及量子相干控制研究”方面，首先利用中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室目前已经或将建立的多种达到国际先进水平的小型化超快激光系列实验装置，建立新型超快激光操控与表征凝聚态物质微结构与大分子体系及其超快动力学过程的超快泵浦探测实验平台。利用有限时域差分算法实现非旋波近似非慢变包络近似下，能用于描述超短脉冲激光与半导体量子阱、周期性结构等具体材料相互作用的严格数值计算软件。重点研究微纳结构中大分子在超快激光作用下电子态重组、原子分子重构以及非热相变等动力学过程和规律、半导体纳米结构中载流子动力学过程、超短脉冲激光诱导的激发态和亚稳态结构的功能响应原理；通过胶体化学、激光分解与退火等方法获取高品质的量子点，用光学方法建立有效的电子自旋偏振度，通过时间分辨克尔或法拉第旋转光谱来测量量子点电子自旋的超快动力学过程。利用脉冲整形系统、单色仪、偏振片等实现飞秒脉冲激光的频域、相位、强度及偏振等多参数的高精度的自旋操控。利用飞秒激光与量子点强耦合作用产生的交流stark效应或者受激拉曼跃迁现象来实现自旋量子态的超快相干控制。利用搭建的飞秒激光超快光谱探测实验装置，通过改变飞秒激光的各种物理参数，包括波长、功率、脉宽、辐照时间等，详细研究飞秒激光作用下纳米材料和纳米结构的吸收光谱、光致发光特性、表面拉曼增强效应等随激光各种参数的变化，分析得到材料高效率发光和表面拉曼增强的主要影响因素，理论解释相关的实验现象；利用飞秒激光直写及辅助的化学镀和化学腐蚀方法在纳米微粒分散物系中，研制新型微光学、微电学及微流体多功能集成演示器件。
在“光子的量子相干操控及其功能性光量子调控器件研究”方面，理论上采用光与物质相互作用的量子光学理论，研究超短脉冲激光在周期排列的共振激发介质中的自感应透明与间隙孤子等传输效应，以研究光量子的减速、存储与受控释放等缓存功能。采用“理论研究—仿真分析设计—材料生长研制—量子调控器件研究平台建立—调控器件自旋电子、光子特性测试分析研究—调控器件性能完善”的技术路线，进行调控器件特性理论研究、材料设计生长的关键技术、材料及器件性能测量等技术难点研究。设计和研制出性能优良的调控器件样品。具体步骤为：研究基于多周期量子点层微纳结构材料量子调控器件的瞬态光学理论基础，包括超辐射效应下微纳结构材料能带结构，非共振条件下泵浦光激发的虚激子与光场的耦合，光学斯塔克效应及其对二维平面周期结构材料带隙的作用；研