中文摘要：

光波导中"光波空间动态"过程与量子器件中"物质波时域动态"过程的相似性，使得光波导"非线性"信号处理与量子器件"量子调控"信息处理可以相互应用。本课题首先探讨具有"类量子调控"效应的光波导结构及其传输特征，揭示"类量子调控"与光波导"非线性"传输之间的作用，实现在光波导中应用"类量子调控"与"非线性"进行光信号逻辑处理，改变目前完全依赖"非线性"效应的研究思路，缓解光信号逻辑处理中对高峰值功率的要求。其次，利用光波导的传输特征仿真量子器件中物质波波包的演化与固态量子器件中一些固有的效应，在光波导中完备地仿真量子信息处理，从而实现更直观、便利地研究量子器件。最后，将光波导中利用脉冲"非线性"传输进行信息处理的方法应用在量子器件中，构造势场结构，实现基于物质波波包非线性演化的量子信息处理。该方法将比纯粹"量子调控"信息处理有更高的稳健性，更适合在Imperfect系统的固态量子器件中工作。

结论摘要：

利用光波导的非线性传输，各种光信号处理器件已经得以实现。量子器件中，通过对物质波的量子调控，人们已经可以进行量子信息的处理。这两个方面都将在未来的信息处理技术中扮演重要角色。两种信息处理的方法虽然分别属于经典光学与量子物理不同的两个领域，然而经典光学与量子系统的相似性使得这两种方法可以结合应用。本项目 “在光波导与量子器件中应用非线性与量子调控相互作用进行信息处理”将研究量子器件中的量子调控，与光器件中的非线性，两者在信息处理中的影响，探讨是否可以形成新的信息处理的机制。首先建立了描述光脉冲在非线性耦合光波导中的数学研究模型，耦合方程的归一化方式，以及数值计算方法。模型中包括了包括泄露模衰减、传播常数失配、色散，耦合、强耦合及耦合的色散，非线性、时间弛豫，构成了一个比较完备的理论模型。可以用来研究光在折射率调制的多芯耦合光波导的研究，也可以用来仿真量子器件中布居弛豫、退相干、库伦力作用。其次，利用该模型研究了三芯耦合波导中的暗态效应，并对文献[Phys. Rev. Lett., 101, 1193901, 2008]中的实验进行了理论研究，数值计算结果再现了报道的实验现象，但揭示了与文献报道不同的理论机理。文献报道的暗态消失将由于非线性与线性色散的共同作用而会发生严重的波形畸变，从而不可避免地耦合进入相邻其他两个通道，而非非线性导致的暗态条件破坏从而使得暗态消失。我们的研究甚至表明非线性的阈值与量子相干条件满足的程度是正相关的，即相干条件匹配度越高，例如在三能级系统中跃迁矩阵元之比越大，或者三芯光波导耦合系数的比值越大，则非线性阈值越高，切非线性阈值呈现快速上升趋势，这就意味着，完全满足量子相干条件时，非线性阈值将区域无穷大。该结论可能意味着量子器件可以免于受到非线性的影响，如果其量子相干条件足够高时。再次，研究了空间折射率调制下，类似周期驱动场作用下的原子系统，实现负耦合系数。对于光波导而言，可以实现空间坐标轴上的反演，对于原子系统，可以实现时间坐标轴上的反演，从而为量子调控，光信号处理提供了更多的操作维度。最后，研究了利用量子调控与非线性两者间的影响，共同作用实现新型信号处理的机制。从观测开关时间与开关功率的乘积入手，在开关时间一定的情况下，虽然开关功率陡峭度可以极大提高，非线性特性极大改善，但信号本身的功率要求依然很高。尚无新的机制可以利用。