基于微纳光力系统的Majorana费米子探测与马约拉纳诱导的相干光学传播特性研究

The search for Majorana fermions occurring as quasiparticle excitations in condensed matter systems has attracted widespread interest currently, because of their importance in fundamental physics and potential applications in topological quantum computation. However all the theoretical and experimental schemes for detecting and demonstrating the existence of Majorana fermions are based on electrical measurement at present. As a potential supplement for the detection of Majorana fermions, the project presents an alternative quantum optical means to detect Majorana fermions based on micro-nano optomechanical system with the optical pump-probe technology. The multi-modes coupling mechanism of semiconductor quantum dot, nanomechanical resonator and Majorana fermions is investigated via structuring the coupled Hamiltonian of the hybrid system, and the optomechanical system influencing the detection of Majorana fermions is also discussed. Due to there are multi-modes coupling, the hybrid system will induce much more remarkable optical phenomena. The optical propagation properties, such as Majorana modes splitting, Majorana modes based induced transparency and absorption, fast light and slow light effect, and the interconversion between fast light and slow light will be discussed detailedly in this hybrid system via manipulating the multi-modes coupling in the hybrid system. This project provides the theoretical basis for the possible applications of this hybrid coupled system on all optical communication, and also provide theoretic foundation for Majorana fermions-based quantum information processing.

由于马约拉纳费米子在拓扑量子计算中的潜在应用，最近在凝聚态系统中寻找其存在成为热门研究课题。本项目针对目前理论研究与实验探测马约拉纳费米子的方案大多基于电学测量的问题，引入光学泵浦-探测技术，以复合微纳光力系统为媒介，提出一种可供选择的基于量子光学探测马约拉纳费米子的方法。通过建立耦合系统的哈密顿量，由相干光学谱研究复合光力系统中半导体量子点、机械振子、马约拉纳费米子三个独立系统之间的多元耦合机制及其相互反馈与调制，以及光力声子腔行为对马约拉纳费米子信号探测的影响。由于该复合光力系统中存在多模式耦合，将产生异于二元耦合系统中的更为丰富的光学特征。通过操控系统中的多元耦合，深入研究基于马约拉纳费米子的相干光学传输特性，包括马约拉纳模式分裂、马约拉纳诱导透明与吸收、快光与慢光现象，以及快光与慢光之间的相互转换。该方案有望实现全光通讯方面的应用及为马约拉纳费米子基于的量子信息处理提供理论基础。

近年来由于马约拉纳费米子在量子计算中的潜在应用前景，在凝聚态系统中寻找其存在已成为热门的研究课题。马约拉纳费米子遵循非阿贝尔统计，将在拓扑量子计算和量子信息处理方面具有潜在的应用前景。目前各种可能存在马约拉纳零模的复合低维凝聚态系统相继被提出，并通过各种电学手段探测到了类似马约拉纳费米子的信号。然而仅通过电学探测手段这一种方法来证明马约拉纳费米子的存在与否在某种程度上也是不完备的。为了得到更加确凿和直接的马约拉纳费米子存在的证据，提出可供选择的探测马约拉纳费米子的实验设想或理论模型也是很有必要的。本项目结合复合微纳系统，提出一系列全光学探测马约拉纳费米子的方法，并研究了马约拉纳费米子诱导的相干光学传输（如快光与慢光现象）。其主要结果有：1)在半导体量子点-半导体纳米线/超导体结构中，研究了马约拉纳费米子诱导的快光到慢光的转换；2)通过把量子点植入到纳米机械振子系统中构成复合的微纳系统，研究了增强的马约拉纳费米子诱导的慢光现象；3）提出一个环状半导体纳米线/超导体复合结构，探讨一对马约拉纳费米子与量子点之间的相互作用；4）基于该环状复合系统，研究了马约拉纳费米子基于的相干光学传播；5）提出一种室温下的自旋-纳米振子系统，为马约拉纳费米子诱导的光学传输呈现另一种方案；6）提出多声学模式耦合方案，研究多声学模相互耦合条件下的光学特性及对光学传输的调控；7）拓展腔量子电动力学理论，研究该复合系统中的相互作用对探测吸收谱与色散的影响。在项目基金的支持下，截至结题报告撰写时，共发表SCI学术论文17篇，包括Physical Review A，Results in Physics，Scientific Report，Quantum Information Processing、Applied Physics Express、Laser Physics Letters、Journal of Applied Physics、Chinese Physics B等。这些结果不仅为马约拉纳费米子基于的量子信息处理提供理论基础，而且还进一步拓展了研究方向，如拓展了腔量子电动力学理论、提出二能级系统调制的光力系统中的光学传输特性等，这些拓展的结果不仅丰富了研究内容，也是项目的进一步延伸。