上海微系统所在异质集成光量子芯片上偏振纠缠光源研究中取得重要进展-j9九游会登录入口

　　近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所异质集成团队张加祥研究员、欧欣研究员和中山大学、中国科学技术大学合作，利用混合集成方法，成功将基于自组装量子点的光子芯片转移至压电陶瓷上，通过施加各向异性应力有效消除耦合在波导中量子点的精细结构分裂 (fine structure splitting, fss)，实现了基于混合构架的集成光量子芯片上偏振纠缠光子对的产生与传输。相关研究成果于2022年1月13日以“generation of polarization-entangled photons from self-assembled quantum dots in a hybrid quantum photonic chip”为题在线发表在国际著名学术期刊nano letters上。 

　　集成量子光学具有结构紧凑、稳定性高、易于操控等优势，可以构建扩展性能优异且功能更为丰富的光量子信息应用系统，因而在量子通信、量子传感和量子计算等领域引起广泛重视。纠缠光源是集成光量子学所必需的基本构件，目前，最为普遍应用的片上纠缠光源依赖于量子光学器件中的非线性光学响应，但这种量子纠缠光源具有概率性和随机发射的特点，且不可避免地存在多光子对同时发射的问题，难以扩展并很难高效地应用在大规模集成光量子芯片中。为解决这一问题，一种可行的方案是在大规模集成光量子芯片中集成“确定性”的量子光源，比如半导体量子点、金刚石色心、二维材料缺陷态等。其中，由于半导体量子点具有类似原子的二能级量子系统及优异的光子性能，并且便于与微腔集成，可以通过双激子级联跃迁实现“确定性”的纠缠光子对发射，因此被认为是最具潜力的量子光源。然而，量子点的实际生长过程中，由于应变、组分及形状的各向异性会降低其结构的对称性，导致激子态产生精细结构分裂。为了构建纠缠态，需要利用量子调控技术将fss抑制至自然展宽（~1 uev）以下，消除辐射过程中的路径信息。当前，热场、电场、磁场等后生长调控方法被广泛使用来消除精细结构分裂，从而实现高亮度和高不可区分性的量子光源。尽管如此，片上集成这些量子调控手段存在巨大挑战，在集成光量子芯片上通过调节fss来实现基于自组装量子点的“确定性”量子纠缠光子对仍然是国内外量子光学研究领域中的一项空白。 

　　在本工作中，研究团队在实验上实现了一种可以产生和传输基于自组装量子点的偏振纠缠光子对的混合集成光量子芯片。演示芯片结构由180 nm × 600 nm的双模gaas波导、连接在波导末端的光栅耦合器和生长有氧化硅介质层和压电陶瓷衬底构成（如图1a所示），量子点发射的偏振光子对沿波导低损耗传输，通过光栅耦合器实现向上发射并被探测装置收集。为支持不同偏振态双光子的高效传输，研究团队设计了基于gaas材料的双模波导（te0模式和te1模式），其波导损耗分别为0.2 db/cm和0.24 db/cm（图1b）。在理论上，团队研究了对应两个垂直偏振双光子的偶极子（y-偶极子和x-偶极子）与双模波导的耦合效率。通过控制偶极子在双模波导中的位置，y-偶极子在波导中心处te0模式的耦合效率达到50%，x-偶极子在y = 70 nm处te1模式的耦合效率约为14%（图1c-d），该结果为平面内两个垂直偏振纠缠光子对的片上传输提供了理论依据。此外，团队通过集成压电陶瓷衬底实现片上量子点光源的量子调控，通过施加各向异性应力场有效地抑制激子态的精细结构分裂，并在电场强度为6.7 kv/cm时，成功将量子点的精细结构分裂降低至自然展宽以下（0.26 ± 0.13 μev ，如图1e所示）。 

　　在实验中，团队通过光纤耦合分别将量子点发射的级联双光子耦合至自由空间并进行关联函数的测量（实验装置示意图如图2a所示）。通过将双光子对投影至不同的偏振基并进行量子层析测量，团队获得了双光子在线性、对角偏振相同基矢和圆偏振正交基矢下的光子聚束现象，以及在线性、对角偏振正交基矢和圆偏振相同基矢下的光子反聚束现象（如图2b-d）。通过提取不同偏振基矢下测量的二阶关联函数，实验得到光子对的偏振纠缠保真度为0.71 ± 0.03，超过了经典极限（0.5），这表明研究团队成功制备了一种可以产生与传输偏振纠缠光子对的混合集成光量子芯片。本工作中实现的片上偏振纠缠光源为在大规模光量子芯片中使用全固态自组装量子点的纠缠光子对按需发射开辟了新的可能性，有利于推动可扩展光量子回路的开发和应用。