科技進展

上海微系統所在異質集成光量子芯片上偏振糾纏光源研究中取得重要進展

  

  近日,中國科學院上海微系統與信息技術研究所異質集成團隊張加祥研究員、歐欣研究員和中山大學、中國科學技術大學合作,利用混合集成方法,成功將基于自組裝量子點的光子芯片轉移至壓電陶瓷上,通過施加各向異性應力有效消除耦合在波導中量子點的精細結構分裂 (Fine Structure Splitting, FSS),實現了基于混合構架的集成光量子芯片上偏振糾纏光子對的產生與傳輸。相關研究成果于2022113以“Generation of Polarization-Entangled Photons from Self-Assembled Quantum Dots in a Hybrid Quantum Photonic Chip”為題在線發表在國際著名學術期刊Nano Letters。 

  集成量子光學具有結構緊湊、穩定性高、易于操控等優勢,可以構建擴展性能優異且功能更為豐富的光量子信息應用系統,因而在量子通信、量子傳感和量子計算等領域引起廣泛重視。糾纏光源是集成光量子學所必需的基本構件,目前,最為普遍應用的片上糾纏光源依賴于量子光學器件中的非線性光學響應,但這種量子糾纏光源具有概率性和隨機發射的特點,且不可避免地存在多光子對同時發射的問題,難以擴展并很難高效地應用在大規模集成光量子芯片中。為解決這一問題,一種可行的方案是在大規模集成光量子芯片中集成“確定性”的量子光源,比如半導體量子點、金剛石色心、二維材料缺陷態等。其中,由于半導體量子點具有類似原子的二能級量子系統及優異的光子性能,并且便于與微腔集成,可以通過雙激子級聯躍遷實現“確定性”的糾纏光子對發射,因此被認為是最具潛力的量子光源。然而,量子點的實際生長過程中,由于應變、組分及形狀的各向異性會降低其結構的對稱性,導致激子態產生精細結構分裂。為了構建糾纏態,需要利用量子調控技術將FSS抑制至自然展寬(~1 ueV)以下,消除輻射過程中的路徑信息。當前,熱場、電場、磁場等后生長調控方法被廣泛使用來消除精細結構分裂,從而實現高亮度和高不可區分性的量子光源。盡管如此,片上集成這些量子調控手段存在巨大挑戰,在集成光量子芯片上通過調節FSS來實現基于自組裝量子點的“確定性”量子糾纏光子對仍然是國內外量子光學研究領域中的一項空白。 

  在本工作中,研究團隊在實驗上實現了一種可以產生和傳輸基于自組裝量子點的偏振糾纏光子對的混合集成光量子芯片。演示芯片結構由180 nm × 600 nm的雙模GaAs波導、連接在波導末端的光柵耦合器和生長有氧化硅介質層和壓電陶瓷襯底構成(如圖1a所示),量子點發射的偏振光子對沿波導低損耗傳輸,通過光柵耦合器實現向上發射并被探測裝置收集。為支持不同偏振態雙光子的高效傳輸,研究團隊設計了基于GaAs材料的雙模波導(TE0模式和TE1模式),其波導損耗分別為0.2 dB/cm0.24 dB/cm(圖1b)。在理論上,團隊研究了對應兩個垂直偏振雙光子的偶極子(y-偶極子和x-偶極子)與雙模波導的耦合效率。通過控制偶極子在雙模波導中的位置,y-偶極子在波導中心處TE0模式的耦合效率達到50%,x-偶極子在y = 70 nmTE1模式的耦合效率約為14%(圖1c-d),該結果為平面內兩個垂直偏振糾纏光子對的片上傳輸提供了理論依據。此外,團隊通過集成壓電陶瓷襯底實現片上量子點光源的量子調控,通過施加各向異性應力場有效地抑制激子態的精細結構分裂,并在電場強度為6.7 kV/cm時,成功將量子點的精細結構分裂降低至自然展寬以下(0.26 ± 0.13 μeV ,如圖1e所示)。 

1. (a) 集成光量子芯片結構示意圖;(b) TE0模式和TE1模式在波長為890nm時的傳播損耗隨SiO2介質層厚度的變化關系,插圖為TE0TE1兩種模式的橫向和縱向電場分量在波導中的分布;  (c) y方向偶極子和 (d) x方向偶極子的耦合效率隨偶極子位置變化關系的仿真結果;(e) FSS隨驅動電壓的變化。

 

  在實驗中,團隊通過光纖耦合分別將量子點發射的級聯雙光子耦合至自由空間并進行關聯函數的測量(實驗裝置示意圖如圖2a所示)。通過將雙光子對投影至不同的偏振基并進行量子層析測量,團隊獲得了雙光子在線性、對角偏振相同基矢和圓偏振正交基矢下的光子聚束現象,以及在線性、對角偏振正交基矢和圓偏振相同基矢下的光子反聚束現象(如圖2b-d)。通過提取不同偏振基矢下測量的二階關聯函數,實驗得到光子對的偏振糾纏保真度為0.71 ± 0.03,超過了經典極限(0.5),這表明研究團隊成功制備了一種可以產生與傳輸偏振糾纏光子對的混合集成光量子芯片。本工作中實現的片上偏振糾纏光源為在大規模光量子芯片中使用全固態自組裝量子點的糾纏光子對按需發射開辟了新的可能性,有利于推動可擴展光量子回路的開發和應用。   

   

 

2. (a) 偏振相關測量實驗裝置示意圖;電場強度為6.7 kV/cm,即FSS 0 μeV時,光柵處收集的激子態和雙激子態信號分別在(b) 線偏振、 (c) 對角偏振和 (d) 圓偏振基矢下的二階相關函數測量結果;(e) 計算得到針對貝爾態|Φ> = (|HXXHX> + |VXXVX>)/ 的糾纏保真度為0.71 ± 0.03。

  本論文共同第一作者為中科院上海微系統所博士生金婷婷和中山大學博士生李學詩,共同通訊作者為中國科學技術大學霍永恒教授,中科院上海微系統所歐欣研究員和張加祥研究員。該工作得到了國家自然科學基金、上海市科委啟明星項目、上海市科委科技創新行動基礎研究等項目的支持。 

  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03226

 
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