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    我国学者在量子纠缠光源研究领域取得重要进展

    日期 2019-05-05   来源:数理科学部   作者:倪培根 姜向伟 陈刚 郭海中  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:91750207, 11674402, 11761141015, 11761131001,11874437, 11704424)等资助下,中山大学物理学院王雪华教授团队经过多年努力及国际合作,率先研制出综合性能领先的高亮度、高纠缠保真度、高不可区分性的“三高”量子纠缠光子对源,该成果以“A Solid-state Source of Strongly Entangled Photonpairs with High Brightness and Indistinguishability”(具有高亮度和高不可区分性的固态纠缠光子对源)为题,于2019年4月22日在线发表于Nature Nanotechnology(《自然﹒纳米技术》)期刊上。论文链接:https://www.nature.com/articles/s41565-019-0435-9。同期的Nature Nanotechnolog的评论报道给予该工作高度评价:“能够按需产生极化纠缠光子对的量子点光源已经实现,这是着可扩展、可集成量子光子学和信息处理的一个重要里程碑”,链接:https://www.nature.com/articles/s41565-019-0440-z。

      量子光源是量子信息和量子光电集成芯片不可或缺的器件。传统上,自发参量下转换一直是产生量子光源的主要方法,但效率很低,本质上是概率性的,这些因素限制了量子光源的可扩展性和可重复性。基于量子点(或其它辐射子)的量子光源可以根据需要由外部电脉冲或光脉冲触发产生确定性的单光子或纠缠光子对,但也存在巨大的困难,如:半导体材料的高折射率和侧向及背向的光子泄露严重降低了量子光源的亮度(收集效率),其纠缠保真度和不可区分性也相对较低。因此,实现高亮度、高纠缠保真度和高不可区分性的“三高”量子光子源一直是量子信息科学领域的一个重大挑战。

      中山大学物理学院王雪华教授团队瞄准这一国际前沿重大挑战,基于量子光辐射控制理论,提出一种能克服光子侧向和背向泄露且能极大提高光子前向出射的新型微纳“射灯”结构,其单光子理论收集效率在较大的带宽中超过90%、最高可达95%。

      “射灯”结构量子光源的实验制备难度极大,要求三大核心微纳制备技术:厚度160nm左右且内有量子点的薄膜转移技术;定位精度小于10nm的量子点光学精确定位技术;环形槽宽度制备精度小于5nm的高质量牛眼微纳结构制备技术。为了制备出这一性能优越的量子光源,王雪华教授研究团队自2013年开始,从零起步,经过多年探索,先后发展和掌握了上述三大核心微纳制备技术,在国际上率先制备出综合性能领先的“三高”量子纠缠光子对源。

      该工作实现了高亮度、高纠缠保真度和高不可分辨性的独特结合,为有高效率量子光源要求的实验提供了可能性。所研制的光子纳米结构与应变调谐技术兼容,为实现可扩展量子光子网络提出一条新路。该纳米结构还能方便地应用到其它类似系统,如二维材料量子点。

    图1 按需产生极化纠缠光子对的量子点光源

    图2 该量子点纠缠光子对源与此前已报道的纠缠光子对源的性能比较




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