將量子發(fā)射器單光子源集成到光子集成電路上突破限制

許多光子量子信息處理系統(tǒng)的規(guī)模受到整個(gè)集成光子電路中量子光通量的限制。光源亮度和波導(dǎo)損耗是片上光子通量受限的根本因素。盡管在超低損耗芯片級(jí)光子電路和高亮度單光子源方面分別取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但這些技術(shù)的集成仍然難以實(shí)現(xiàn)。

近日，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人員展示了量子發(fā)射器單光子源與晶圓級(jí)超低損耗氮化硅光子電路的集成，并證明了將量子發(fā)射器單光子源集成到光子集成電路上，波導(dǎo)損耗約為?1dB/m。研究人員還觀(guān)察到了強(qiáng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制下的共振熒光，顯示出對(duì)量子發(fā)射器進(jìn)行相干控制的前景。這些結(jié)果表明向大規(guī)模芯片集成光子量子信息系統(tǒng)邁進(jìn)了一步，在這種系統(tǒng)中，生成的單光子的存儲(chǔ)、時(shí)分解復(fù)用或緩沖是至關(guān)重要的。

在這項(xiàng)工作中，超低損耗波導(dǎo)（ULLW）由高縱橫比的Si?N?組成，厚度為40nm，寬度為2μm，埋于1μm SiO?上覆層之下。片上單光子源包括一個(gè)直線(xiàn)型GaAs納米波導(dǎo)，其中嵌入了InAs自組裝量子點(diǎn)（QD），隨后是一個(gè)絕熱模式轉(zhuǎn)換器，這種幾何結(jié)構(gòu)已被證明可以將量子點(diǎn)發(fā)射直接有效耦合到空氣包層Si3N4脊形波導(dǎo)中。與絕熱錐形波導(dǎo)相反，引入了為900nm以上的高反射率設(shè)計(jì)的一維光子晶體背反射器，?以允許單向發(fā)射到Si?N?波導(dǎo)中。為了使用模式轉(zhuǎn)換器確保GaAs和Si?N?層之間的倏逝耦合，將含有量子點(diǎn)的GaAs器件放置成與Si?N?波導(dǎo)的頂部直接接觸。時(shí)域有限差分（FDTD）模擬預(yù)測(cè)，制造的幾何結(jié)構(gòu)的最大理論單光子耦合效率ηQD-ULLW?≈?0.31。

單光子源與超低損耗波導(dǎo)的集成

關(guān)于ULLW中相對(duì)較低的單光子耦合效率，主要影響因素包括次優(yōu)的納米光子設(shè)計(jì)和量子點(diǎn)定位，以及GaAs器件內(nèi)的偶極矩取向。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)來(lái)解決后一個(gè)問(wèn)題，但光子設(shè)計(jì)具有兩個(gè)從基本上導(dǎo)致效率較低的因素。首先，波導(dǎo)幾何結(jié)構(gòu)的選擇限制了量子點(diǎn)與波導(dǎo)的耦合。倏逝耦合微腔是實(shí)現(xiàn)更高整體耦合效率的另一種可行的窄帶替代方案，也是未來(lái)工作的主題?；谇坏姆椒ǖ囊粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)耦合到諧振模式實(shí)現(xiàn)的高Purcell輻射速率增強(qiáng)可以使量子發(fā)射器的壽命T1更接近輻射極限T2?=?2T1，相干時(shí)間T2完全不受納米制造的影響，從而提高了不可分辨性。另一方面，單個(gè)量子點(diǎn)在相對(duì)較寬的光譜范圍內(nèi)表現(xiàn)出各種激子躍遷，這可用于觸發(fā)單光子發(fā)射之外的其他功能。重要的是，所有提出的提高源效率的方法僅涉及對(duì)GaAs器件層的修改，而電路的Si?N?超低損耗部分將不受影響。

通過(guò)超低損耗波導(dǎo)測(cè)量的單光子發(fā)射

在所設(shè)計(jì)的器件和實(shí)驗(yàn)配置中，研究人員觀(guān)察到直接收集到ULLW中的共振熒光光譜（沒(méi)有偏振濾波或時(shí)間門(mén)控）。?通過(guò)單獨(dú)控制入射激光的偏振，使用諧振激光器激發(fā)，測(cè)得消光比?>?25。這得益于高縱橫比ULLW提供的高空間模式濾波。研究人員注意到，在金剛石中集成Ge空位量子發(fā)射器的AlN電路中，在沒(méi)有偏振濾波的情況下也觀(guān)察到了共振熒光，并且僅控制泵浦偏振就足以通過(guò)片上超導(dǎo)納米線(xiàn)單光子探測(cè)器（SNSPD）觀(guān)察到波導(dǎo)耦合共振熒光。

量子點(diǎn)的共振熒光和相干控制

通過(guò)納米光子設(shè)計(jì)和確定性的量子點(diǎn)定位，提高了量子點(diǎn)-波導(dǎo)耦合效率和單光子不可分辨性，并進(jìn)一步最小化無(wú)源片上組件中的傳播和插入損耗，這將更接近完全芯片集成的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)用的玻色子（Boson）采樣和具有量子優(yōu)勢(shì)的相關(guān)光子量子信息任務(wù)。研究人員演示的超低傳播損耗可能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)單量子發(fā)射器單光子源的時(shí)分解復(fù)用的片上延遲，以產(chǎn)生用于Boson采樣的空間復(fù)用光子。

總之，本項(xiàng)工作的研究結(jié)果表明，在超低損耗≤1dB/m的光子集成電路中，量子發(fā)射器作為單光子源具有很高的應(yīng)用前景，這對(duì)于在芯片上創(chuàng)建大規(guī)模的光子量子信息系統(tǒng)至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷