徐 強(qiáng)，謝修敏，張 偉，袁 菲，胡衛(wèi)英，鄧 杰，趙新華，宋海智,2

(1.西南技術(shù)物理研究所，成都 610041；2.電子科技大學(xué) 基礎(chǔ)與前沿研究院，成都 610054)

引 言

量子信息處理技術(shù)正在快速發(fā)展并將成為未來(lái)信息網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)。量子信息處理系統(tǒng)可以由超導(dǎo)體、光子、電子等多種物理體系構(gòu)成[1]。在利用光學(xué)和光子元件的系統(tǒng)中，量子光源是量子通信[2]、量子計(jì)算[3]和量子測(cè)量[4-5]等多種量子應(yīng)用領(lǐng)域的基本構(gòu)件。光量子技術(shù)需要高效的、按需發(fā)射的、高度全同的單光子源或者光子糾纏源[6]。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換雖然提供了很高全同性的光子，但其亮度較低、可擴(kuò)展性較差。因此，具有納米結(jié)構(gòu)的固體光子源，如半導(dǎo)體量子點(diǎn)或金剛石色心等的發(fā)展受到了人們的廣泛關(guān)注[7]。半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有類似于單個(gè)原子系統(tǒng)的離散量子態(tài)，因此擁有巨大的潛力被用作優(yōu)良的量子光源[8]。目前，半導(dǎo)體量子點(diǎn)是性能最好的光子產(chǎn)生系統(tǒng)，幾乎所有物理特性都具有很高的品質(zhì)，如光子產(chǎn)生率高、光學(xué)相干性好、光譜可調(diào)諧范圍廣等[9]。最重要的是，量子點(diǎn)作為按需糾纏光子對(duì)的最有前途的候選源，在未來(lái)的量子信息系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景[10-13]。基于量子點(diǎn)的半導(dǎo)體量子光源在近20年來(lái)得到了廣泛而深入的研究，基于量子點(diǎn)的量子光源被用于制備自旋光子糾纏、量子密鑰分發(fā)、量子態(tài)轉(zhuǎn)移和量子中繼器[14-19]，在構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮了重要作用。特別是近年來(lái)，量子點(diǎn)量子光源的發(fā)展比以往有了更大的進(jìn)步[20-22]。

本文中從基于量子點(diǎn)的單光子光源、基于量子點(diǎn)的糾纏光源以及量子點(diǎn)量子光源的片上集成3個(gè)方面綜述了量子點(diǎn)量子光源的研究進(jìn)展。

1 基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的單光子源

半導(dǎo)體量子點(diǎn)單光子源適用于按需光子產(chǎn)生。從本世紀(jì)初開始，量子點(diǎn)作為潛力巨大的單光子源得到了深入研究。但在2016年之前,還沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)具有近完美全同的、高純度的、高亮度的單光子源[23-31]。增加光源亮度最有效的方式是將量子點(diǎn)嵌入到一個(gè)平面微腔中。2016年,SOMASCHI等人在電控微腔中制備了InGaAs量子點(diǎn)光源[32](如圖1所示),其量子點(diǎn)單光子源的質(zhì)量是目前性能最好的，全同性為0.9956±0.0045，純度達(dá)到g(2)(0)=0.0028±0.0012，收集效率為65%，亮度是以前的100倍。該量子點(diǎn)單光子源在可擴(kuò)展的多光子實(shí)驗(yàn)如玻色子采樣中得到了很好的應(yīng)用[33]。為了進(jìn)一步提高量子點(diǎn)單光子源的收集效率，需要對(duì)準(zhǔn)直技術(shù)進(jìn)行大量的研究。LIU課題小組報(bào)道了基于微柱腔內(nèi)精細(xì)定位量子點(diǎn)的單光子源，收集效率為68%[34]。具有這種質(zhì)量的單光子發(fā)射已經(jīng)被許多工作進(jìn)一步證實(shí)[35-36]，從而為復(fù)雜、可擴(kuò)展的光子量子信息處理開辟了新的道路。

圖1 SOMASCHI等人制造的電控單光子源[32]

然而在通訊頻段目前還沒(méi)有成功實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的單光子源。InAs/InP量子點(diǎn)材料體系可以產(chǎn)生通訊波段的光子，并于2005年首次實(shí)現(xiàn)1.5μm的單光子發(fā)射[37]。SONG團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了新穎的微柱腔和單片微柱腔，用于通訊波段光子與量子點(diǎn)的弱耦合和強(qiáng)耦合，以實(shí)現(xiàn)高效、高不可分辨性的單光子源[38-40]。最近，也有研究團(tuán)隊(duì)使用光子晶體微腔實(shí)現(xiàn)了1.3μm和1.5μm波段的明亮單光子源[41-42]。此外，通過(guò)在量子點(diǎn)固有的納米尺度上塑造量子點(diǎn)的光學(xué)環(huán)境，發(fā)射出的單個(gè)光子也可以耦合到統(tǒng)一的導(dǎo)模上，使單光子源具有高度全同性[43]。這些研究使得基于量子點(diǎn)的按需發(fā)射源、量子門、量子干涉等成為可能，形成了線性光量子計(jì)算和量子通信的基礎(chǔ)。

雖然微腔在改善量子點(diǎn)單光子源品質(zhì)方面效果良好，但微腔在耦合強(qiáng)度等方面還存在欠缺。為了進(jìn)一步提高耦合強(qiáng)度，人們發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)的單光子發(fā)射也可以通過(guò)等離子體納米結(jié)構(gòu)等更緊湊的方式得到增強(qiáng)。由于等離子體納米結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)模式體積，發(fā)射體與等離子體共振模之間的耦合強(qiáng)度得到增強(qiáng)[44-48]。平面多層超材料納米結(jié)構(gòu)被證實(shí)對(duì)自發(fā)輻射具有寬帶PURCELL效應(yīng)，PFEIFFER等人展示了一種利用等離子體增強(qiáng)自組裝半導(dǎo)體量子點(diǎn)發(fā)射的新方法[49]。LI等人在最近的工作中利用Ag-SiO2多層超材料和納米結(jié)構(gòu)光柵，將CdSe/ZnS量子點(diǎn)在570nm～680nm波段的自發(fā)輻射增強(qiáng)了3倍～6倍[50]，如圖2所示。多層光柵有助于在光柵槽內(nèi)定位量子點(diǎn)，增強(qiáng)量子點(diǎn)與表面等離子體模的相互作用[51]。這些工作有助于理解量子光源與超材料納米結(jié)構(gòu)之間增強(qiáng)的光-物質(zhì)相互作用，有助于將基于超材料的量子點(diǎn)單光子源應(yīng)用于量子信息處理中。

圖2 LI等人研究的多層超材料納米結(jié)構(gòu)[50]

目前的微腔量子點(diǎn)單光子源都工作在極低溫度下(通常小于10K)，嚴(yán)重限制了其適用范圍，人們希望單光子源能夠在室溫下工作，且還能夠被電激發(fā)和控制，并能夠與未來(lái)量子存儲(chǔ)和單光子探測(cè)器等量子網(wǎng)絡(luò)的其他關(guān)鍵元器件兼容，最近幾年在這方面的確取得了重大的進(jìn)展[52-54]。研究表明，室溫單光子光源更容易在膠體核/殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)[55-56]。2017年，LIN等人研究了單膠體量子點(diǎn)作為電驅(qū)動(dòng)單光子源中的量子光源，結(jié)合器件中的隔離層，實(shí)現(xiàn)了室溫下最佳的抗聚束單光子產(chǎn)生，開辟了開發(fā)新型室溫量子光源的途徑[57]。為了解決室溫單光子的純度無(wú)法與低溫光子相比的問(wèn)題，F(xiàn)ENG等人進(jìn)行了單光子的純化[58]，從室溫膠體量子點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)高純度的單光子，如圖3所示。通過(guò)對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行適當(dāng)?shù)男揎?，得到了單光子純度為g(2)(0)=0.01。這個(gè)值只有在之前的低溫InGaAs量子點(diǎn)上才能實(shí)現(xiàn)，而且其純度不隨激勵(lì)功率或不同量子點(diǎn)的變化而變化。他們發(fā)現(xiàn)能夠在不影響單光子質(zhì)量的前提下提高發(fā)射速率，提供了一種在室溫下制備高純度量子點(diǎn)單光子源的新方法。

圖3 FENG等人制備的室溫膠體量子點(diǎn)單光子源[58]

在構(gòu)建量子網(wǎng)絡(luò)中必須對(duì)遠(yuǎn)程量子光源進(jìn)行連接，這是一項(xiàng)極富挑戰(zhàn)的任務(wù)，因?yàn)椴煌摹叭嗽煸印钡牧孔討B(tài)必須按需高保真地準(zhǔn)備好，要求單光子源產(chǎn)生的光子必須在所有可能的自由度下都難以分辨[59-62]。針對(duì)這一迫切需要，事實(shí)上目前已有團(tuán)隊(duì)開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。2017年，TROTTA課題組展示了一種前所未有的雙光子干涉[63]，其雙光子來(lái)自嵌入在平面分布式布喇格反射腔中的遠(yuǎn)程應(yīng)變可調(diào)GaAs量子點(diǎn)，并提出了一種新的聲子輔助雙光子激發(fā)方案。利用該方案產(chǎn)生了難以分辨的糾纏光子對(duì)，制備了雙激子態(tài)，對(duì)環(huán)境退相干具有較強(qiáng)的魯棒性。這一結(jié)果對(duì)于實(shí)現(xiàn)不同人工原子間的量子中繼器和多光子量子相互作用具有重要的里程碑意義。SCHMIDT課題組在演示了一種阻止兩個(gè)獨(dú)立量子點(diǎn)漂移的技術(shù)之后[64]，在2018年的Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了基于不同量子點(diǎn)的雙光子長(zhǎng)距離穩(wěn)定干涉[65]。更引人注目的是，PAN團(tuán)隊(duì)報(bào)道了兩個(gè)相隔1.5×108km的光子之間的量子干涉、糾纏和非局域特性，一個(gè)產(chǎn)生于太陽(yáng)，另外一個(gè)產(chǎn)生于地球上的半導(dǎo)體量子點(diǎn)，這在天文尺度上開辟了一條量子光子學(xué)之路[66]。此外，人工原子和自然原子的結(jié)合使得量子點(diǎn)的單光子態(tài)可以被保存為原子態(tài)，具有特別長(zhǎng)的存儲(chǔ)時(shí)間，可用于建立量子中繼器[67-70]。

綜上所述，基于量子點(diǎn)的單光子源實(shí)現(xiàn)了近乎完美的全同性、10-3級(jí)的高純度、以及近70%的收集效率，甚至在通信波段也大大提高了亮度；等離子體和其它納米結(jié)構(gòu)開始在改善量子點(diǎn)單光子源方面發(fā)揮重要作用；量子點(diǎn)單光子源的室溫工作和電驅(qū)動(dòng)已不再是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)；甚至可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子點(diǎn)量子光源之間的關(guān)聯(lián)，這些都預(yù)示著基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的單光子源在量子信息處理中成功應(yīng)用的前景。

2 基于量子點(diǎn)的光子糾纏源

糾纏雙光子源可應(yīng)用于量子秘鑰分發(fā)、量子計(jì)量、量子隱形傳態(tài)、量子中繼器等領(lǐng)域[14-19]，由于缺乏確定的糾纏源，糾纏現(xiàn)象還處于實(shí)驗(yàn)階段；從應(yīng)用前景來(lái)說(shuō)，固態(tài)糾纏光子源具有特殊的意義[71]。在許多系統(tǒng)中，半導(dǎo)體量子點(diǎn)對(duì)于偏振糾纏光子對(duì)的發(fā)射極具效力。由于典型的退相干效應(yīng)，最初認(rèn)為量子點(diǎn)的糾纏程度有限，但最近的研究改變了這種看法。量子點(diǎn)糾纏光子的最大限制是量子點(diǎn)對(duì)稱性的破壞，這是由應(yīng)變、成分變化和形狀不規(guī)則性的各向異性造成的，它導(dǎo)致了激子發(fā)射中的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂效應(yīng)[72](fine-structure splitting,FSS)。為了構(gòu)建糾纏態(tài)，精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂效應(yīng)的輻射壽命有限線寬應(yīng)小于1μeV[73]。一些后生長(zhǎng)調(diào)控方法，如壓電材料引起的單軸應(yīng)力調(diào)制[64]、電場(chǎng)誘導(dǎo)量子限制Stark效應(yīng)[74-75]、磁場(chǎng)引入的塞曼轉(zhuǎn)變[76]，或激光退火技術(shù)[77]等，可很大程度消除精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂，這對(duì)于提高量子點(diǎn)光源的雙光子產(chǎn)率很有幫助[78]。運(yùn)用這些技術(shù)，糾纏光子的最高產(chǎn)率達(dá)到近10kHz[79]。H?FER課題組通過(guò)施加單軸應(yīng)力，成功地消除了集成在單軸壓電驅(qū)動(dòng)器上的通信波段InGaAs/GaAs量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂[80]，如圖4所示。該技術(shù)能夠在不降低量子點(diǎn)光源性能的前提下，對(duì)量子點(diǎn)發(fā)射波長(zhǎng)及其精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂進(jìn)行調(diào)諧，朝著通信波段產(chǎn)生高通量糾纏光子對(duì)的目標(biāo)邁出了重要一步。

可以預(yù)期，單軸應(yīng)變與Stark效應(yīng)相結(jié)合[81]，將使實(shí)現(xiàn)通信波段的量子點(diǎn)糾纏光子源成為可能，因?yàn)槠渲心芰康恼{(diào)節(jié)獨(dú)立于精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂。此外，由于半導(dǎo)體量子點(diǎn)中的應(yīng)變抑制精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂是在片內(nèi)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的[82]，因此利用類似的通信波長(zhǎng)架構(gòu)，量子中繼網(wǎng)絡(luò)也有可能實(shí)現(xiàn)[83-85]。2019年，SHIELDS課題組報(bào)道了一個(gè)為期一周的偏振糾纏光子傳輸，實(shí)現(xiàn)了單InAs/GaAs量子點(diǎn)18km長(zhǎng)的城域光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸[86]，這為低復(fù)雜度、魯棒性的量子信息網(wǎng)絡(luò)提供了一種可靠、穩(wěn)定的技術(shù)。

圖4 H?FER等人工作中的器件結(jié)構(gòu)和測(cè)量結(jié)果[80]

量子點(diǎn)的形貌和平面各向異性對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂起著主導(dǎo)作用，最有效的處理辦法是生長(zhǎng)零精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂的量子點(diǎn)，而不是使用通過(guò)后選擇或者調(diào)控的方式消除精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂。2013年,JUSKA等人[87]在圖形化GaAs襯底上制備了金字塔位點(diǎn)控制、高度對(duì)稱的InGaAsN量子點(diǎn)，在非共振激發(fā)下高達(dá)15%的量子點(diǎn)可以產(chǎn)生偏振糾纏光子，其保真度可達(dá)0.72。不同于形貌高度對(duì)稱的方法，另外一種有效途徑是生長(zhǎng)大的低應(yīng)力InGaAs量子點(diǎn)；盡管存在各向異性，但其精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂遠(yuǎn)低于10μeV[88]。還有一些其它的方法來(lái)增加量子點(diǎn)發(fā)射糾纏光子[89]，如液滴外延法；WANG等人通過(guò)局部液滴蝕刻將納米孔蝕刻到AlGaAs襯底中制備出量子點(diǎn)[90]，2013年,HUO等人證明了液滴量子點(diǎn)具有4μeV的超小精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂效應(yīng)[91]。由于交換相互作用是由電子-空穴波函數(shù)重疊決定的，因此除了平面的結(jié)構(gòu)外，垂直結(jié)構(gòu)的形貌也可以降低精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂[92]。2017年，HUBER等在未用任何生長(zhǎng)后技術(shù)的情況下[93]，獲得了量子點(diǎn)糾纏源迄今為止最高的糾纏保真度，達(dá)到0.94，如圖5所示。所獲得的保真度對(duì)于隨時(shí)可用的量子中繼器具有很大吸引力。2018年,BASSO BASSET等人在GaAs基底上提出了一種改進(jìn)的方法，將Ga液滴結(jié)晶，并在約520℃的高溫下沉積隨后的阻擋層[94]，通過(guò)抑制在低溫生長(zhǎng)中較高的缺陷密度，量子點(diǎn)的晶體質(zhì)量得到了顯著改善。

圖5 HUBER等人的研究[93]

多光子態(tài)是安全量子中繼器、量子計(jì)算機(jī)和量子增強(qiáng)傳感器必不可少的光源，實(shí)現(xiàn)高維光子態(tài)有多種方法，但即使是最先進(jìn)的技術(shù)也是概率性的，或者保真度受限[95-97]。一種有效方法是通過(guò)單個(gè)量子光源直接創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的光子態(tài)，這在原則上允許確定的多量子比特光子態(tài)。LEE等人利用微腔量子點(diǎn)中增強(qiáng)喇曼躍遷模式來(lái)進(jìn)行自旋態(tài)制備，然后依次產(chǎn)生時(shí)間片單光子W態(tài)[98]，如圖6所示。他們利用微腔受激喇曼輻射效應(yīng)，對(duì)捕獲的空穴自旋進(jìn)行自旋態(tài)制備。該技術(shù)允許任意單光子時(shí)間片編碼狀態(tài)的確定性生成，這種能力將有助于單模量子計(jì)算和最大限度地改善長(zhǎng)距離量子秘鑰分發(fā)。多光子糾纏態(tài)，如“NOON態(tài)”，由于其在高精度、量子增強(qiáng)相位測(cè)定中的應(yīng)用，也引起了廣泛的關(guān)注[99]。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換方法是通過(guò)在分束器上混合量子光和經(jīng)典光而產(chǎn)生NOON態(tài)，相比之下，MüLLER等人[100]則利用HOM干涉證明了基于量子點(diǎn)單光子源產(chǎn)生的雙光子NOON態(tài)的超高分辨率的相位測(cè)量，利用帶電激子態(tài)的脈沖共振熒光特性，提高了相位不確定度的精度，使之優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)量子極限。這一研究為將來(lái)實(shí)現(xiàn)真實(shí)的量子傳感器指出了一個(gè)方向。

圖6 a—LEE等人的實(shí)驗(yàn)設(shè)置結(jié)構(gòu)圖[98] b—量子點(diǎn)微柱系統(tǒng)置于磁場(chǎng)中 c—單空穴電荷量子點(diǎn)在Voigt場(chǎng)中的量子態(tài)和允許的躍遷選擇

綜上所述，最初被認(rèn)為有限的量子點(diǎn)光子糾纏事實(shí)上實(shí)現(xiàn)了10kHz的高糾纏比特率；應(yīng)力調(diào)節(jié)和電驅(qū)動(dòng)在實(shí)現(xiàn)糾纏量子點(diǎn)光子源方面作用顯著；原位生長(zhǎng)技術(shù)大大改善了量子點(diǎn)的整體對(duì)稱性，使糾纏保真度達(dá)到0.94；半導(dǎo)體量子點(diǎn)的多光子糾纏已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。這些進(jìn)展為量子點(diǎn)成為量子計(jì)算和量子通信領(lǐng)域的確定性復(fù)雜量子光源鋪平了道路。

3 量子點(diǎn)量子光源的片上集成

由于缺乏在同一芯片內(nèi)同時(shí)產(chǎn)生和控制光子的方法，長(zhǎng)期以來(lái)一直是實(shí)現(xiàn)高效的多量子比特系統(tǒng)和芯片尺度量子光子系統(tǒng)的一個(gè)障礙。光子集成是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種構(gòu)建片上量子信息處理系統(tǒng)的方法，其優(yōu)勢(shì)在于具有量子發(fā)射、量子處理、量子存儲(chǔ)和量子測(cè)量等多種功能[101]。為了獲得量子信息網(wǎng)絡(luò)的確定性和可擴(kuò)展性的光-物質(zhì)量子接口，需要將固態(tài)量子光源集成到光子芯片中[102]。這一要求包括確定的單光子源、復(fù)雜的量子比特操作電路和片上檢測(cè)等技術(shù)，顯然半導(dǎo)體量子點(diǎn)是最好的構(gòu)造單元之一[103]，因?yàn)樗鼈兛梢约傻轿⑶缓凸庾蛹{米結(jié)構(gòu)中[104]。量子點(diǎn)具有片內(nèi)電激發(fā)[105]、波長(zhǎng)可調(diào)糾纏光子發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)[106]，將半導(dǎo)體量子點(diǎn)集成在光子芯片上已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。

在這一領(lǐng)域中，如何實(shí)現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ光量子電路面臨巨大挑戰(zhàn)，包括將選定的量子點(diǎn)確定性地集成到光波導(dǎo)/微腔中，有效濾除發(fā)射光譜中的特定量子躍遷，片上抽運(yùn)抑制，以及多個(gè)量子點(diǎn)的復(fù)用[107-108]。外延生長(zhǎng)的InGaAs/GaAs量子點(diǎn)經(jīng)常可集成到各種光子結(jié)構(gòu)中，2017年,MIDOLO等人在光子波導(dǎo)中嵌入量子點(diǎn)光源，集成了電光移相器[109]，使單個(gè)自組裝量子點(diǎn)發(fā)射的光子可以主動(dòng)地傳輸?shù)礁缮鎯x的兩個(gè)輸出端。DAVANCO等人開發(fā)了一種多光子集成平臺(tái)[110]，可以直接將包含量子點(diǎn)的GaAs波導(dǎo)和微腔與低損耗的Si3N4波導(dǎo)集成在一起，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了單InAs/GaAs量子點(diǎn)與Si3N4波導(dǎo)之間的高效光學(xué)接口，構(gòu)建了微腔內(nèi)量子點(diǎn)的發(fā)射增強(qiáng)和強(qiáng)耦合路徑。最近，THYRRESTRUP等人[44]通過(guò)在一個(gè)電接觸納米光子膜中嵌入量子點(diǎn)來(lái)表征量子光源的壽命極限線寬，向片上集成非線性光子回路的實(shí)現(xiàn)邁出了重要一步。將按需單光子源集成到硅光子芯片上仍然是一個(gè)困難的挑戰(zhàn)，但KIM等人[111]實(shí)現(xiàn)了硅光子器件與固態(tài)單光子光源的集成，為芯片規(guī)模的單光子源和片上光學(xué)量子信息處理鋪平了道路。此外，將預(yù)選量子光源確定性地集成到納米光子元件中的制造技術(shù)，對(duì)包含多重光源的量子回路的實(shí)現(xiàn)十分關(guān)鍵。ELSHAARI等人[112]用一種混合的、可擴(kuò)展的方法克服了幾乎所有上述挑戰(zhàn)。如圖7所示，在他們的方案中，其結(jié)構(gòu)為InAsP量子點(diǎn)嵌入InP納米線(紅寶石色)中，InP納米線與Si3N4波導(dǎo)(藍(lán)色)、片上可調(diào)諧環(huán)形諧振器濾波器集成在一起。單個(gè)Ⅲ-Ⅴ量子點(diǎn)量子光源被集成在一個(gè)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)兼容的光子電路中，發(fā)射源的激勵(lì)抑制超過(guò)95dB，單光子路由帶寬達(dá)到40nm，系統(tǒng)尺寸大小是類似平面方法的10-6。這些結(jié)果向芯片集成的單光子源和片上光量子計(jì)算邁出了重要的一步，并充分挖掘了光量子技術(shù)的潛力。

圖7 ELSHAARI等人制作的混合光量子電路示意圖[112]

外延量子點(diǎn)通常具有扁平的形貌，因此它們主要沿z方向量子化，只適合制作高效垂直發(fā)射的單光子器件[113-114]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)集成量子器件的平面操控，需要運(yùn)用平面集成光量子學(xué)的技術(shù)[115-117]，制作在x-y平面內(nèi)具有量子化軸的量子點(diǎn)。在ZADEH等人的研究中[118]，納米線-量子點(diǎn)從基底上移除，并被旋轉(zhuǎn)90°以實(shí)現(xiàn)與介質(zhì)波導(dǎo)的有效耦合。最近，YUAN等人更有力地展示了如何在不旋轉(zhuǎn)任何方向的情況下，將量子點(diǎn)的量子化軸旋轉(zhuǎn)到生長(zhǎng)平面上[119]，他們的技術(shù)保持了量子點(diǎn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)與平面光子處理的兼容性，其方案如圖8所示。包括了高質(zhì)量、初始無(wú)應(yīng)變的GaAs量子點(diǎn)和提供平面內(nèi)應(yīng)力的微機(jī)械壓電驅(qū)動(dòng)器。與以往大多數(shù)實(shí)驗(yàn)在生長(zhǎng)后加入應(yīng)力作為擾動(dòng)來(lái)微調(diào)量子點(diǎn)的發(fā)射特性不同[120]，在決定量子化軸的作用上，限制效應(yīng)相對(duì)于應(yīng)力是一個(gè)微擾量。研究表明，單軸應(yīng)力可以用作獲得具有理想定向躍遷偶極子和增強(qiáng)振子強(qiáng)度的量子光源的工具。

片上集成還有另一個(gè)目標(biāo)，就是將量子光源、量子門和量子探測(cè)器等各種量子元件集成在一個(gè)芯片上。在量子網(wǎng)絡(luò)中，增強(qiáng)量子功能，避免不同技術(shù)平臺(tái)之間的損失是非常必要的[121-122]。事實(shí)上將量子發(fā)射源確定性地集成到片上量子納米光子元件中已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注，這些技術(shù)包括位點(diǎn)控制量子點(diǎn)生長(zhǎng)[123-125]、光源納米結(jié)構(gòu)對(duì)齊[28]、原位光刻[126]等。由于其高模式分辨率，以及光譜和空間控制，原位電子束光刻允許將預(yù)選量子光源集成到復(fù)雜的光子系統(tǒng)中。SCHNAUBER等人通過(guò)原位電子束光刻技術(shù)將InAs量子點(diǎn)確定性地集成到多模干涉分束器中[127]，如圖9所示。結(jié)合波長(zhǎng)微調(diào)[128]，在一個(gè)2×2分束器中對(duì)多個(gè)量子點(diǎn)進(jìn)行頻譜選擇性集成，為進(jìn)行片上HOM干涉實(shí)驗(yàn)打開了一扇窗口。在單個(gè)波導(dǎo)中放置兩個(gè)諧振量子點(diǎn)，可以保證兩個(gè)量子光源之間的激子態(tài)轉(zhuǎn)移。這項(xiàng)工作為多節(jié)點(diǎn)、完全集成的量子光子芯片鋪平了道路。這種技術(shù)通常與金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體激元有關(guān)，由于其亞波長(zhǎng)約束和微傳播尺度，在集成納米光子電路領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[129-132]。單量子光源與等離子體納米線之間的強(qiáng)相互作用已被用來(lái)制造集成的量子光學(xué)器件，如高效的單光子源和晶體管[133-135]。為了創(chuàng)造一種更簡(jiǎn)單、更靈活、無(wú)衍射限制的光學(xué)分辨和激發(fā)技術(shù)，LI等人通過(guò)調(diào)節(jié)表面等離子體激元的干涉場(chǎng)[136]，可有效控制和激發(fā)多個(gè)量子點(diǎn)和一條銀納米線，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)量子點(diǎn)在100nm范圍內(nèi)的選擇性調(diào)控。

圖9 SCHNAUBER等人工作中的集成結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[127]

量子光學(xué)中一個(gè)突出的挑戰(zhàn)是可擴(kuò)展性，它要求以確定性的方式定位單個(gè)量子光源。到目前為止，大多數(shù)量子點(diǎn)量子光源都是基于隨機(jī)有核量子點(diǎn)，這使得它們無(wú)法有效地集成到芯片中。早在10多年前，基底上指定位置生長(zhǎng)的半導(dǎo)體量子點(diǎn)就已經(jīng)被制備出來(lái)用于實(shí)現(xiàn)集成單光子源[137]，并被證實(shí)更有利于量子點(diǎn)與光子結(jié)構(gòu)的確定性集成[138]。有報(bào)道稱納米線中原位控制的量子點(diǎn)光源可以產(chǎn)生純度極好的單光子源，純度g(2)(0)<0.005[139]，偏振糾纏光子對(duì)的保真度超過(guò)80%[140-142]。為了將這種方法擴(kuò)展到通信波段，在2018年,HAFFOUZ等人實(shí)現(xiàn)了在InP納米線波導(dǎo)中嵌入明亮的單一InAsP量子點(diǎn)[143]，借助適當(dāng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的波導(dǎo)，將通信O波段量子點(diǎn)的發(fā)射計(jì)數(shù)率從0.4kHz提高到35kHz。這一結(jié)果為利用位置控制生長(zhǎng)來(lái)集成通信波段的有效單光子源鋪平了道路。

光子納米結(jié)構(gòu)中量子點(diǎn)位置的精度實(shí)際上決定了耦合強(qiáng)度，因此對(duì)于控制量子芯片中的量子相互作用[144-145]和集體效應(yīng)[146]至關(guān)重要。雖然已報(bào)道有全光成像方法[147]，但它們不能很好地用于光子納米結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)成像。2017年，de ASSIS等人演示了一種無(wú)損量子點(diǎn)映射技術(shù)[148]，利用兩種交叉極化的力學(xué)模式，對(duì)生長(zhǎng)面上的量子點(diǎn)位置進(jìn)行了2維映射。與光學(xué)近場(chǎng)方法和掃描隧道顯微鏡相比[149]，該技術(shù)可以確定深埋在具有更高空間分辨率的微結(jié)構(gòu)中的量子點(diǎn)的位置。在2018年，LIU課題組利用納米制備和光致發(fā)光成像技術(shù)定位了單InAs/GaAs量子點(diǎn)的位置[150]，其定位偏差控制在5nm以內(nèi)，可以根據(jù)與納米表面的距離函數(shù)來(lái)跟蹤量子點(diǎn)光子統(tǒng)計(jì)量。

考慮到集成的緊湊性和可擴(kuò)展性，電子載波注入將是非常有吸引力的，因?yàn)樗苊饬吮恐氐耐獠考す庠?。然而基于PIN二極管設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單電驅(qū)動(dòng)源不允許共振激發(fā)，并且受到過(guò)量載流子引入的電荷噪聲的影響，這兩種情況都限制了發(fā)射光子的全同性[151]。STOCK等人將電致光激發(fā)源與諧振激發(fā)的量子點(diǎn)光源集成在同一芯片上[152]，成功解決了這一問(wèn)題，而且在不干擾其它集成元素的情況下，以本地化的方式對(duì)光源進(jìn)行調(diào)優(yōu)。

綜上所述，基于量子點(diǎn)的量子光源已經(jīng)成功地與光子學(xué)微納結(jié)構(gòu)集成到一個(gè)芯片中；量子點(diǎn)可以調(diào)諧成平面發(fā)射的方式，使普通量子點(diǎn)更適合于芯片集成，并實(shí)現(xiàn)與其它量子器件的量子交互；原位控制和片上電驅(qū)動(dòng)量子點(diǎn)技術(shù)發(fā)展迅速，邁出了實(shí)現(xiàn)全片上量子集成的重要一步。

4 結(jié)束語(yǔ)

半導(dǎo)體量子點(diǎn)被認(rèn)為是量子光源的最佳選擇，本文中綜述了近年來(lái)基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的量子光源的科學(xué)和技術(shù)進(jìn)展?；诹孔狱c(diǎn)的單光子源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了近乎完美的全同性，純度達(dá)到10-3量級(jí)，收集效率接近70%；即使在通信頻段，其亮度也得到了大大提升；等離子體及其相關(guān)納米結(jié)構(gòu)開始在改善量子點(diǎn)單光子發(fā)射源方面發(fā)揮重要作用；量子點(diǎn)單光子源的室溫工作和電驅(qū)動(dòng)已不再是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，甚至可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子點(diǎn)量子光源之間的關(guān)聯(lián)。基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的糾纏光源進(jìn)展很大，量子比特率已高達(dá)10kHz；原位生長(zhǎng)等技術(shù)大大改善了量子點(diǎn)的整體對(duì)稱性，使糾纏保真度達(dá)到0.94；半導(dǎo)體量子點(diǎn)的多光子糾纏已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。量子點(diǎn)被進(jìn)一步證明是量子信息處理中最好的按需、糾纏、片上集成的量子光源。量子點(diǎn)量子光源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了與在電子、光子芯片上的集成；通過(guò)集成，量子點(diǎn)量子光源實(shí)現(xiàn)了與其它器件的量子交互；原位控制和片上電驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)步很大，解決了實(shí)現(xiàn)全片上量子集成的關(guān)鍵工藝。研究進(jìn)展表明了量子點(diǎn)量子光源在量子信息領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景。