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研究動態
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陳學文教授團隊在單光子源研究中取得系列進展
發布時間:2020-09-28

基于單光子相互作用的量子邏輯門是組成光量子計算機的基本單元,邏輯門規模的可擴展性(scalability)是實現光量子計算機的關鍵?!翱蓴U展性”這一要求,對單光子的利用效率設置了極高的閾值:根據量子計算機架構的不同,閾值效率(扣除系統所有損耗,包括探測損耗)為50%或66%。這要求單光子輻射必須要以近乎完美地耦合到單一光場模式中,例如高斯基模,以獲得高效使用。針對這一難題,我院陳學文教授與德國馬普光學研究所S. G?tzinger教授合作提出一種光學天線結構,用于將固態單量子系統的單光子輻射導引到高斯基模中,效率可望達到95%,為滿足“可擴展性”的要求提供了一種可行的途徑。相關研究成果近日以《Truncated Metallo-Dielectric Omnidirectional Reflector: Collecting Single Photons in the Fundamental Gaussian Mode with 95% Efficiency》為題發表于國際納米光子學著名期刊ACS Photonics上。

光學天線以95%的效率導引單光子輻射至高斯基模

該工作是基于光子晶體禁帶和缺陷波導模式的原理抑制輻射體的大角度輻射、增強其與缺陷波導模式(defect guided mode)耦合從而達到小角度輻射的效果。該結構與各種材料系統和操作條件兼容,具有帶寬很寬、對制造缺陷不敏感和與各種固態輻射體兼容等性質。并且此概念可以被應用于可以制造的各種結構和各種光源(如:膠體量子點,氮空位中心和自組裝InGaAs量子點)。為了降低了實驗上制作的難度,團隊成員基于第二禁帶,尤其是針對自組裝半導體量子點進行了結構優化與實驗方案設計。他們的設計是實現單光子源的藍圖,該單光子源能夠每秒向單模光纖中傳輸超過一億個光子。器件有望用于各種光量子計算機體系,例如玻色子采樣器或具有空前數量光子的簇態量子計算機。此外,量子輻射體的單向高斯模式發射為單量子系統間的完美相互作用打開了大門,輻射和吸收在空間上可以完美匹配。我院2018級博生李莞聰和德國馬普所Luis Morales-Inostroza博士為共同第一作者,陳學文教授和Stephan G?tzinger教授為共同通訊作者。

單光子是量子保密通信、光量子計算、量子精密測量以及其他新興量子技術的核心載體。孤立的單個量子系統,由于激發、輻射這一過程需要一定的時間,因此是天然的單光子輻射源。特別是鑲嵌在固體基質中的類原子輻射體,例如自組裝量子點、金剛石色心、有機單分子等,由于輻射源周圍的固體材料可以通過微納加工形成新穎光學結構,從而其輻射性質可被較自由地調控,因此固態單光子源獲得了人們的極大關注。近年來高收集效率、可控性好的固態單光子源在國內外已有不少報道。然而,僅僅有高收集效率還是不夠,單光子需要能被自由地傳送,對許多量子技術的應用而言,需要將單光子高效率地發射到特定的光場空間模式中,其中最有用的模式就是高斯基模。因為高斯基??梢耘c單模光纖基模匹配,從而高效地耦合到光纖中,這樣可被遠距離傳送而且可使各個單光子間的空間模式完全一樣,提高邏輯門效率。事實上,將單光子輻射耦合到高斯基模,并不只是出于便于傳輸的考慮,而更是出自于它的必要性,長距離的量子通訊和量子糾纏比特的生成就是兩個典型的例子。

此前,陳學文教授團隊將有機單分子均勻的分布在厚度為100納米左右的固態結晶狀納米薄片中,借助于晶體結構的穩定的保護作用,得到了具有高轉換效率,輻射亮度強,穩定性好的單光子源。同時,由于晶體結構展現出的優良的機械穩定性能,成功地將納米晶體片轉移至光學結構中形成平板Yagi-Uda光學天線,實現了光子輻射角的大幅度壓縮,以接近高斯模式輻射。該實驗成果以標題為《Single-Molecule-Doped Crystalline Nanosheets for Delicate Photophysics Studies and Directional Single-Photon-Emitting Devices》發表在物理學類重要期刊Physical Review Applied上。

單晶納米片中的單分子及單光子源器件

該項工作展示了單個DBT分子嵌在結晶狀納米薄片體系可以作為精致的光物理研究和構建單光子器件的固態平臺。高質量的單個晶狀納米薄片使得可以在室溫下首次在原位觀察到分子插入位點跳變。薄厚度(~100 nm)、良好的光穩定性和機械穩定性使得DBT-AC納米薄片體系有望成為量子集成光路中量子結點的優秀候選者之一。

以上工作研究工作得到國家自然科學基金項目的經費支持。原文鏈接:

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.13.064023;

https://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00730.

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