54、光子晶体中量子比特辐射衰变的抑制

光子晶体中量子比特辐射衰变的抑制

1. 光子晶体及其态密度

如今，人们可以通过特定方式设计材料，使在其中传播的电磁场可能出现频率频谱带隙。这类材料被称为光子带隙（PBG）材料、PBG 晶体或光子晶体（PCs）。通常，PBG 材料内部电磁场的态密度（DOS）具有奇异性。

光子晶体的最初设想由 John 和 Yablonovitch 独立提出，他们认为介电常数呈周期性变化的材料对光子特性的影响，与半导体对电子特性的影响类似。不过，与半导体不同，光子晶体并非天然存在，需要人工制造。具体而言，要构建一个介电物质的周期性晶格，其周期与光的波长尺度相当。这种介电物质常见的有棒、球、板等，有时也被称作“介电原子”。在合适的条件下，会形成完整的 PBG，在此频率范围内，任何极化方向的电磁波都无法传播。

此外，还能通过局部破坏晶体晶格的周期性来制造点缺陷。这些缺陷可能源于“介电原子”介电常数（或等效的折射率）的改变，也可能是其尺寸的调整，甚至是“介电原子”的移除。破坏完美周期性后，点缺陷能将一个模式（或一组模式）“拉”入原本禁止的带隙中。由此产生的光子态即缺陷模式，它高度局域化，在晶体内部呈指数衰减，且其频率和对称性可被控制。缺陷周围的晶体如同高反射镜。若能控制损耗，就能得到高品质因数（Q 值）的微腔（尺寸约为光波长的立方 λ³）。这种微腔可在光学甚至近红外波长下工作，而在这些波长下，传统量子光学实验中使用的普通腔损耗较大。除了点缺陷，还可在原本完美的光子晶体结构中引入线缺陷，其可作为“无损耗”波导。结合线缺陷和点缺陷，就能制造出通道下降滤波器等全光电路所需的组件。

2. 光子晶体对量子比特自发辐射的抑制

光子晶体抑制光子自发发射的能力备受关注。在光子晶