中山大学王雪华教授团队在自旋态按需调控的量子光源研究方面取得重要进展

导读

近日，中山大学王雪华教授研究团队提出、设计并制备出一种基于超构表面透镜双焦点辐射的量子点单光子源结构，有效解决了量子点单光子辐射方向的随机性和其导致的自旋态难于按需调控的问题，实现了自旋态按需调控的单光子源。相关研究以 On-demand spin-state manipulation of single-photon emission from quantum dot integrated with metasurface为题于2020年7月29日在线发表在Science Advances上。论文通信作者为中山大学王雪华教授和李俊韬教授，第一作者为包燕军研究员和林巧玲硕士，苏榕彬博士、周张凯副教授等为本工作做出了重要贡献。

创新研究

  光子自旋态是最重要的量子资源之一，它不仅为基本量子原理提供了一个很好的验证平台，如贝尔不等式、量子隐形传态、量子非局域性和非经典性等，而且在量子信息和量子芯片等领域有着非常重要的应用，如量子信息存储及传递、量子纠缠、量子模拟和量子计算等。然而，量子点单光子辐射的随机性导致自旋态的调控非常困难，使其应用受到了极大的限制。

为克服该问题，该团队提出了一种基于超构表面透镜双焦点辐射的量子点单光子源结构。该结构对位于双焦点上的量子点和其镜像的辐射光子能实现方向可控的准直出射，并能同时实现左右旋偏振态的按需调控。为提高光子的收集效率，在结构背部设置有一面反射镜，反射光子可以等效为量子点镜像发射的光子。实验制备该量子光源的最大挑战在于如何精确地把量子点和其镜像集成在超构表面透镜的双焦点上。该团队通过发展超构表面制备技术和前期研究“三高”量子纠缠光子源【Nature Nanotechnology 14，586（2019）】所发展的定位精度达10纳米的荧光成像精确定位技术，实现了量子点和其镜像与超构表面透镜双焦点的精确重合，演示了到目前为此所报道的最小发散角（3.17度）的准直出射，并实现了左、右旋偏振态分离可调且偏振度达88%的按需调控单光子源。

该研究工作提供了基于超构表面调控量子光源的新方案，为推进量子光源性能的按需调控和实用化向前迈出了非常重要的一步。
 

图1: （A）超构表面结构调控量子点辐射示意图。（B）实验测量远场辐射图。
 

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https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eaba8761