我国学者在高维轨道角动量单光子源制备研究中取得重要进展
日期 2021-01-27  来源:数理科学部  作者:姜向伟 郭海中 张诗按 倪培根

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图1:嵌入量子点的微环谐振腔产生携带OAM量子叠加态的单光子源示意图及样品实物图

       在国家自然科学基金项目(批准号:91750207、11874437、62035017)等资助下,中山大学王雪华、刘进研究团队提出、设计并制备出一种将单个量子点嵌入角向光栅微环谐振腔中的集成量子光源结构,实现了目前国际上最亮的芯片式触发轨道角动量单光子源。该成果以“高亮度的轨道角动量单光子固态量子光源(Bright solid-state sources for single photons with orbital angular momentum)”为题,于2021年01月11日发表在《自然·纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-020-00827-7。

  光子的轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)能够形成一个无限维完备的Hilbert空间,是一种具有无限维度的独特物理自由度。在信息处理中,光子的轨道角动量可以大幅度增加经典和量子信息处理的容量。具有轨道角动量的单光子源是高维量子信息处理的关键器件。目前为止,产生携带轨道角动量的单光子都是由非线性过程概率性的产生,且效率很低,成为制约高维量子信息处理的主要瓶颈。

  中山大学研究人员提出将单量子点嵌入角向光栅微环谐振腔中的微纳集成量子光源结构,使量子点与具有轨道角动量的微腔模式实现高效耦合,增强量子点的发光效率和角向光栅对单光子的向上散射。实验制备的关键在于能否把量子点精确定位在微腔的最佳位置,他们通过前期研究“三高”量子纠缠光子源所发展的定位精度达10纳米的荧光成像精确定位技术和微纳加工制备技术,实现了量子点在角向光栅微环谐振腔中的精确定位,在国际上制备出光源亮度达0.23(4)的最亮芯片式触发轨道角动量单光子发射器件。

  该研究工作是首次在芯片上实现携带轨道角动量的单光子发射,为推进量子光源性能的按需调控和高维量子信息处理迈出了重要的一步。此外,该器件与半导体加工工艺兼容,具有器件尺寸小,可集成、可扩展的优势,有望应用于芯片上的高维量子通信、量子计算、量子存储等领域,对于发展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技术具有重要意义。