南加州大学团队在量子光学领域取得突破性进展

新技术展示了单个光子如何均匀地以精确模式排列的量子点发射

 

南加州大学的研究人员在利用量子点（QD）光源构建量子光学电路方面取得了突破。

 

量子点似乎是最通用的按需定制的单光子发生器。但是光学电路需要将单个光子源以规则的图案排列。然后必须沿引导方向释放来自光源的具有几乎相同波长的光子。这样就可以操纵它们与其他光子和粒子形成相互作用来传输和处理信息。

 

迄今为止，这种电路的开发一直存在很大的障碍。例如，在当前的制造技术中，量子点具有不同的尺寸和形状，并在随机位置上组装在芯片上。事实上，这些点具有不同的尺寸和形状，意味着它们释放的光子没有统一的波长。这一点和位置顺序的缺乏使它们不适合用于开发光电路。

 

南加州大学的研究人员现在已经证明，单光子确实可以从以精确模式排列的量子点中以统一的方式发射出来。这种排列量子点的方法是近三十年前由Anupam Madhukar和他的团队在南加州大学首次开发的。

 

在最近的这项工作中，南加州大学的团队使用这种方法来创建单量子点。

 

为了实现电路的量子点的精确布局，研究人员使用了Madhukar小组在20世纪90年代初开发的一种名为SESRE（基层编码尺寸缩小外延）的方法。该团队在由GaAs组成的平坦半导体衬底上制造了具有确定边缘方向、形状(侧壁)和深度的纳米级网格的规则阵列。然后，通过使用以下技术添加适当的原子，在台面顶部创建量子点。

 

首先，进入的镓原子聚集在表面能的作用下吸引的纳米级台面顶部，并在其中沉积GaAs。然后，进入的通量被切换到铟(In)原子，依次沉积InAs，然后再由Ga原子沉积GaAs，从而创造出所需的单个量子点，最终释放出单光子。为了用于实现光学电路，金字塔形纳米台面之间的空间需要用能使表面变平的材料填充。最终的芯片，其中不透明的GaAs被描绘成半透明的覆盖层，量子点就在其下。

 

这项工作发表在《APL Photonics》上，由Jiefei Zhang主持。

 

"这一突破为下一步从实验室演示单光子物理学到制造芯片级量子光学电路铺平了道路，"Jiefei Zhang说。"这在量子(安全)通信，成像，传感和量子模拟和计算方面有潜在的应用。"

 

Anupam Madhukar表示，量子点必须以精确的方式进行排序，以便可以操纵任何两个或多个点释放的光子在芯片上相互连接。这将构成量子光路的构建单元的基础。如果光子的来源是随机放置的，那将无法实现。

 

Jiefei Zhang表示："这项工作还创造了有序和可扩展的量子点的新世界纪录，在单光子发射的同时纯度大于99.5%，在发射光子的波长均匀性方面，可以窄到1.8nm，比典型的量子点好20到40倍。"

 

Zhang还总结道："我们现在有了一种方法和一个材料平台，可以为量子信息应用提供可扩展和有序的光源，产生可能无法区分的单光子。该方法是通用的，可以用于其他合适的材料组合，以创建在不同应用中首选的广泛波长范围内发射的量子点，例如基于光纤的光通信或中红外体系，适合环境监测和医疗诊断。"

 

该研究得到了美国空军科学研究办公室（AFOSR）和美国陆军研究办公室（ARO）的支持。

 

参考文献：

 

'Planarized spatially-regular arrays of spectrally uniform single quantum dots as on-chip single photon sources for quantum optical circuits' by Jiefei Zhang et al; APL Photonics 5, 116106 (2020)