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王雪华教授研究团队在量子纠缠光源研究上取得重大进展——“Marking an important milestone” reported by Nature Nanotechnology

? ? ? ? 中山大学乐投娱乐王雪华教授团队经过多年努力以及国际合作,率先研制出综合性能俱佳的“三高”量子纠缠光子对源,该成果以“A solid-state source of strongly entangled photon pairs with high brightness and indistinguishability”为题于2019年4月22日在线发表于《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志: https://www.nature.com/articles/s41565-019-0435-9。同期的评论报道给予高度评价:“能够按需产生极化纠缠光子对的量子点光源已经实现,这标记着可扩展、可集成量子光子学和信息处理的一个重要里程碑”(A semiconductor quantum dot that generates polarization-entangled photon pairs on demand has been realized, marking an important milestone for scalable integrated quantum photonics and information processing.):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量子器件。传统上,自发参量下转换(SPDC)一直是产生量子光源的主要方法. 然而,它不但效率很低,而且本质上是概率性的,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来产生确定性的单光子或纠缠光子对,但也存在一些巨大的困难: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。

? ? ? ? 中山大学乐投娱乐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,提出一种如下图所示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%。

? ? ? ? 但该“射灯”结构量子光源的实验制备难度极大,因为它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。为实验制备出这一性能优越的量子光源,王雪华教授团队自2013年开始,从零起步,坚持不懈,不绝探索,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俱佳的“三高”量子纠缠光子对源。该工作中的量子点样品由奥地利林茨大学Armando Rastelli教授研究组提供。论文第一作者为中山大学刘进教授和苏榕彬博士,通讯作者为奥地利林茨大学Armando Rastelli教授、中山大学李俊韬教授和王雪华教授。

? ? ? ? 该研究工作得到了国家科技部重点研发计划,国家自然科学基金,广东省重大科技专项和自然科学基金,中山大学光电材料与技术国家重点实验室,广州市集成光子系统与应用重点实验室及中山大学国家超级计算广州中心的支持。

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