在开发量子计算机和安全通信网络的过程中，一种称为单光子源的微型设备是一个关键组件。通过以单个光子流的形式发射光，这些源可以生成量子比特，从而构成量子信息技术的基础。然而，事实证明，制造高效、可靠和可扩展的单光子源具有巨大的挑战性，限制了该领域的进展。
来自中国的一组研究人员报告了一项重大进展，最终可以克服这一瓶颈。他们在《光：科学与应用》 (“用于高性能单光子源的单片法布里-珀罗微腔中的可调谐量子点”)中撰文，描述了一种基于嵌入专门设计的微腔中的量子点的新型单光子源。通过集成多项关键创新，他们的设备实现了长期以来一直寻求但从未展示过的性能指标组合。
可调谐单光子源的草图。SU-8 与 PMN-PT (100) 基板集成的可转移法布里-珀罗微腔。b单片法布里-珀罗微腔的横截面和基模电场分布。垂直限制来自两个镜子：顶部的一个是电介质SiO 2 /TiO 2分布布拉格反射器(DBR)，而底部的一个由GaAs/AlGaAs DBR组成。横向限制由中央间隔层中的抛物面透镜缺陷提供。这里，B是透镜状缺陷的基底宽度，H是高度，S是总SiO 2间隔物的厚度。InAs/GaAs QD 位于 GaAs 微腔内的场最大值处。C。微腔三维模拟结果。对于 7 对顶部 DBR，在 B = 4 µm、H = 350 nm 和 S = 480 nm 的设备中获得约 0.949 的提取效率 η e和约 40 的Purcell 因子 F p 。插图是显示近高斯分布的远场分布。灰色虚线和紫色实心圆圈分别代表 NA = 0.42 和 NA = 0.65。(图片：光：科学与应用，CC BY)
该设备的核心是量子点，这是一种纳米级半导体岛，在激光激发时可以发射单光子。量子点是单光子源的领先平台，但它们存在几个问题。首先，通常只能收集发射光子的一小部分，其余的则以随机角度泄漏。其次，各个点之间的变化导致发射波长不可预测。最后，与周围材料的相互作用可以降低发射光子的不可区分性，这是量子应用的关键要求。
为了解决这些问题，研究人员转向了一种经过验证的方法：将量子点嵌入光学腔中。就像微观的镜子大厅一样，空腔可以捕获并放大光线，将其引导为有用的输出。如果精确调整腔体以与量子点发射共振，就会发生一种称为珀塞尔效应的现象，从而提高光子发射速率，同时还提高方向性和不可区分性。
之前已经探索过量子点腔设计，但它们都有缺点。开放式空腔对振动高度敏感，并且占用大量空间。直接从半导体材料(如微柱)蚀刻的设计提供了稳定性，但很难围绕选定的量子点进行制造。新的微腔旨在通过将新颖的制造方法与优化的光学设计相结合来克服这些限制。
该装置由两个由交替的介电材料层制成的镜子组成，形成所谓的分布式布拉格反射器。镜子之间是一个带有独特透镜形状缺陷的间隔层，用于将光线聚焦在腔体的中心。该缺陷的焦点处嵌入了一个因其高质量而经过预先选择的单个量子点。
介质镜的使用是一项关键创新。与早期基于半导体镜的方法不同，介电材料可以保形地涂覆透镜形状的缺陷，从而保持均匀的腔模。这使得腔体尺寸可以减小到几微米的尺度，同时仍然实现高品质因数，这是衡量其捕获光效果的指标。较小的空腔会导致与量子点更强的相互作用和更高的珀塞尔因子。
同样重要的是研究人员如何将量子点定位在腔热点处。他们没有在数百万个设备中寻找机会对齐，而是使用一种称为原位电子束光刻的技术来定位单个点，然后在它们周围构建空腔。这种确定性方法可以大幅提高产量和可扩展性。
也许最重要的创新是腔体与压电致动器的集成。镜子和量子点首先在牺牲基板上生长，然后作为柔性薄膜转移到执行器上。向执行器施加电压会在量子点层中产生应变，使其发射波长调谐近一纳米以匹配腔谐振。
a集成演示和腔体表征。a带空腔的可转移薄膜通过 SU-8 粘合剂粘合到 PMN-PT (100) 基材上。每个方形薄膜的尺寸为~280μm×280μm。b所制造的法布里-珀罗微腔的宽场光致发光图像，每个中心都有一个量子点。量子点 (QD) 的发射由高功率蓝色 LED (445 nm) 激发，而标记则由白色 LED 照明。相邻标记间隔 30 μm 的距离。c通过聚焦离子束铣削的腔体横截面的扫描显微镜图像。即使在顶部沉积 8 对电介质 DBR(约 2 μm 厚)后，透镜形状的结构仍保持不变。(图片：光：科学与应用，CC BY)
波长调谐至关重要，因为即使定位精确，量子点之间的微小变化也使其不可能可靠地将其发射与腔匹配。以前的调谐方法涉及改变温度或激光功率，这两者都会降低单光子发射。另一方面，应变调整保留了点的原始量子特性。
所有这些创新的结果是单一光子源，它满足量子技术应用的所有要求。当量子点与腔完美调谐时，光子发射会增强九倍。这使得 58% 的生成的单光子能够被收集，这比没有腔体时可能收集到的几个百分点有了巨大的进步。
与此同时，光子不可区分性(衡量光子一致性的指标)达到了 92%。这对于密码学和计算等依赖于光子完全可互换的量子应用至关重要。光子也具有强烈的偏振性，这对于与其他光子组件的连接非常重要。
同样令人印象深刻的是扩大技术规模的机会。由于微腔建立在薄而灵活的薄膜上，因此数百或数千个微腔可能会组合在单个压电芯片上，每个腔都调谐到相同的波长。这将能够创建相同单光子源的大型阵列，这是迈向实用量子计算的关键一步。
与电子控制的集成也很有前景。通过添加表面电极，应该可以精确控制量子点的电荷和自旋状态。这可以允许电子自旋与发射的光子纠缠，这是量子网络的关键功能。量子点还可以作为量子存储器来在本地存储和处理信息。
尽管在优化性能和可扩展性方面仍有工作要做，但新的应变可调量子点微腔标志着量子光源的一个重要里程碑。通过同时实现高效率、不可区分性和可扩展性，它消除了实用量子技术道路上的一些最大障碍。
更重要的是，该设备有力地证明了在纳米尺度上精确设计光和物质的量子态的能力。随着经典技术迅速接近小型化的极限，利用微观设备中的量子效应的能力对于继续计算和通信领域的创新步伐至关重要。应变可调微腔展示了科学的独创性如何在量子世界和现实应用之间架起桥梁。
