近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所異質(zhì)集成團(tuán)隊(duì)張加祥研究員、歐欣研究員和中山大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作，利用混合集成方法，成功將基于自組裝量子點(diǎn)的光子芯片轉(zhuǎn)移至壓電陶瓷上，通過施加各向異性應(yīng)力有效消除耦合在波導(dǎo)中量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂 (Fine Structure Splitting, FSS)，實(shí)現(xiàn)了基于混合構(gòu)架的集成光量子芯片上偏振糾纏光子對(duì)的產(chǎn)生與傳輸。相關(guān)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”為題在線發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Nano Letters上。 

　　集成量子光學(xué)具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高、易于操控等優(yōu)勢，可以構(gòu)建擴(kuò)展性能優(yōu)異且功能更為豐富的光量子信息應(yīng)用系統(tǒng)，因而在量子通信、量子傳感和量子計(jì)算等領(lǐng)域引起廣泛重視。糾纏光源是集成光量子學(xué)所必需的基本構(gòu)件，目前，最為普遍應(yīng)用的片上糾纏光源依賴于量子光學(xué)器件中的非線性光學(xué)響應(yīng)，但這種量子糾纏光源具有概率性和隨機(jī)發(fā)射的特點(diǎn)，且不可避免地存在多光子對(duì)同時(shí)發(fā)射的問題，難以擴(kuò)展并很難高效地應(yīng)用在大規(guī)模集成光量子芯片中。為解決這一問題，一種可行的方案是在大規(guī)模集成光量子芯片中集成“確定性”的量子光源，比如半導(dǎo)體量子點(diǎn)、金剛石色心、二維材料缺陷態(tài)等。其中，由于半導(dǎo)體量子點(diǎn)具有類似原子的二能級(jí)量子系統(tǒng)及優(yōu)異的光子性能，并且便于與微腔集成，可以通過雙激子級(jí)聯(lián)躍遷實(shí)現(xiàn)“確定性”的糾纏光子對(duì)發(fā)射，因此被認(rèn)為是最具潛力的量子光源。然而，量子點(diǎn)的實(shí)際生長過程中，由于應(yīng)變、組分及形狀的各向異性會(huì)降低其結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，導(dǎo)致激子態(tài)產(chǎn)生精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂。為了構(gòu)建糾纏態(tài)，需要利用量子調(diào)控技術(shù)將FSS抑制至自然展寬（~1 ueV）以下，消除輻射過程中的路徑信息。當(dāng)前，熱場、電場、磁場等后生長調(diào)控方法被廣泛使用來消除精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂，從而實(shí)現(xiàn)高亮度和高不可區(qū)分性的量子光源。盡管如此，片上集成這些量子調(diào)控手段存在巨大挑戰(zhàn)，在集成光量子芯片上通過調(diào)節(jié)FSS來實(shí)現(xiàn)基于自組裝量子點(diǎn)的“確定性”量子糾纏光子對(duì)仍然是國內(nèi)外量子光學(xué)研究領(lǐng)域中的一項(xiàng)空白。 

　　在本工作中，研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種可以產(chǎn)生和傳輸基于自組裝量子點(diǎn)的偏振糾纏光子對(duì)的混合集成光量子芯片。演示芯片結(jié)構(gòu)由180 nm × 600 nm的雙模GaAs波導(dǎo)、連接在波導(dǎo)末端的光柵耦合器和生長有氧化硅介質(zhì)層和壓電陶瓷襯底構(gòu)成（如圖1a所示），量子點(diǎn)發(fā)射的偏振光子對(duì)沿波導(dǎo)低損耗傳輸，通過光柵耦合器實(shí)現(xiàn)向上發(fā)射并被探測裝置收集。為支持不同偏振態(tài)雙光子的高效傳輸，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了基于GaAs材料的雙模波導(dǎo)（TE0模式和TE1模式），其波導(dǎo)損耗分別為0.2 dB/cm和0.24 dB/cm（圖1b）。在理論上，團(tuán)隊(duì)研究了對(duì)應(yīng)兩個(gè)垂直偏振雙光子的偶極子（y-偶極子和x-偶極子）與雙模波導(dǎo)的耦合效率。通過控制偶極子在雙模波導(dǎo)中的位置，y-偶極子在波導(dǎo)中心處TE0模式的耦合效率達(dá)到50%，x-偶極子在y = 70 nm處TE1模式的耦合效率約為14%（圖1c-d），該結(jié)果為平面內(nèi)兩個(gè)垂直偏振糾纏光子對(duì)的片上傳輸提供了理論依據(jù)。此外，團(tuán)隊(duì)通過集成壓電陶瓷襯底實(shí)現(xiàn)片上量子點(diǎn)光源的量子調(diào)控，通過施加各向異性應(yīng)力場有效地抑制激子態(tài)的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂，并在電場強(qiáng)度為6.7 kV/cm時(shí)，成功將量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)分裂降低至自然展寬以下（0.26 ± 0.13 μeV ，如圖1e所示）。 

　　在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)通過光纖耦合分別將量子點(diǎn)發(fā)射的級(jí)聯(lián)雙光子耦合至自由空間并進(jìn)行關(guān)聯(lián)函數(shù)的測量（實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖2a所示）。通過將雙光子對(duì)投影至不同的偏振基并進(jìn)行量子層析測量，團(tuán)隊(duì)獲得了雙光子在線性、對(duì)角偏振相同基矢和圓偏振正交基矢下的光子聚束現(xiàn)象，以及在線性、對(duì)角偏振正交基矢和圓偏振相同基矢下的光子反聚束現(xiàn)象（如圖2b-d）。通過提取不同偏振基矢下測量的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，實(shí)驗(yàn)得到光子對(duì)的偏振糾纏保真度為0.71 ± 0.03，超過了經(jīng)典極限（0.5），這表明研究團(tuán)隊(duì)成功制備了一種可以產(chǎn)生與傳輸偏振糾纏光子對(duì)的混合集成光量子芯片。本工作中實(shí)現(xiàn)的片上偏振糾纏光源為在大規(guī)模光量子芯片中使用全固態(tài)自組裝量子點(diǎn)的糾纏光子對(duì)按需發(fā)射開辟了新的可能性，有利于推動(dòng)可擴(kuò)展光量子回路的開發(fā)和應(yīng)用。