Integrated on-chip quantum light sources on a van der Waals platform
本文提出了一种可扩展的集成范德华光子平台，该平台将应变工程化的双层 WSe 量子发射器与 WS 波导及光栅耦合器相结合，实现了高效、高纯度的片上单光子发射，测得的 低至 0.003。
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构建能够解决当今机器无法处理的问题的量子计算机，这一梦想往往取决于一个顽固的挑战：如何让被称为光子的微小光粒子在单个微小的芯片上相互“交谈”。在量子信息领域，这些光子充当信使，在电路中传递脆弱的数据。为了大规模实现这一目标，科学家们需要一个平台，其中产生光子的光源、引导光子的通道以及捕捉光子的探测器都由兼容的材料制成，并集成在一起。多年来，研究人员一直尝试使用不同的材料来组装这些部件，例如用硅作为通道，用特殊的半导体作为光源，但强行让这些不同的材料协同工作，就像试图把玻璃粘在橡胶上一样；这个过程既脆弱、复杂，又难以规模化。一条更有前景的路径在于使用被称为范德华（van der Waals）材料的材料家族，这些材料由原子级薄层组成，可以像乐高积木一样堆叠在一起，而无需严苛的化学键合，从而为构建这些集成电路提供了一种更洁净的方式。
在一项新的研究中，丹麦技术大学的研究人员通过成功构建一个完全由这些可堆叠薄层材料组成的运行量子光源，朝着这一目标迈出了重要一步。他们制造了一个设备，其中一种特定类型的原子级薄层晶体——由二硒化钨制成——充当单光子工厂。这种晶体被直接放置在一个由另一种名为二硫化钨的晶体制成的波导之上，该波导是一个微型通道，旨在捕捉光线并引导其沿路径传播。为了将光从这个微小通道中引出并进入测量仪器，他们在通道中刻蚀了一系列微小的同心环，起到类似于光栅的作用，将光向上散射。其结果是一个完全集成的系统，其中光的产生、引导和提取全部在由这两种二维材料制成的单个芯片上完成。
研究人员专注于一种能让光源更亮、更纯净的特殊技巧。他们没有使用宽光谱的光照射晶体，而是使用了一束非常精确的激光，其能量水平被调谐在略低于材料正常吸收光线的点之下。这种被称为离散态激发的方法，使他们能够在避免其他方法通常会带来的嘈aly背景光干扰的同时，触发单光子的发射。当他们测试来自该设备的光时，发现其纯度极高。在量子物理学领域，纯度是通过探测器看到两个光子同时到达的频率来衡量的；对于真正的单光子源，这种情况几乎不应该发生。团队测得该值极接近于零，表明该设备能够以极高的可靠性成功地一次发射一个光子。
为了证明光确实是在波导中传输而非随机泄漏，研究人员设计了一个巧妙的测试。他们同时收集了微型通道两端的 light。通过比较到达两端的两股光流，他们能够确认光正在高效地通过芯片进行引导。这种双侧测量显示，光子被分配到了通道的两端，有大量的光子到达了探测器。他们计算出，该设备每秒能够发送数十万个单光子，这一速率在根据系统损耗进行调整后，表明其在波导内部每秒产生数百万个光子。这种亮度水平和效率比以往使用类似材料的尝试有了显著提升。
他们成功的关键之一在于堆叠材料的方式。他们在光源和波导之间放置了一层名为六方氮化硼的薄层。这一层起到了保护垫的作用，防止精密的发光晶体在放置在波导上时发生破裂，同时仍能让光高效地耦合进通道。如果没有这个垫层，晶体往往会发生断裂，从而毁掉器件。团队还发现，射出的光具有高度的偏振性，这意味着光波在特定的方向上振动，这是控制未来电路中光行为的一个有用特性。
这项研究并未声称已经解决了量子计算的所有问题，但它确实证明了可以使用这些多功能的薄层材料构建出一个完整的、工作的量子光源。研究人员展示了通过仔细设计各层结构和波导形状，他们可以克服让光从光源进入通道的常规困难。他们还排除了光只是在表面散射的可能性；测量结果证实，光子确实是通过波导模式进行传输的。虽然目前的设备只是一个原型，但其结果指明了一条清晰的前进道路。通过添加更多由同一类材料制成的组件（如探测器和滤波器），科学家们最终可以构建出比目前的混合系统更容易制造且更可靠的复杂量子电路。这项工作确立了范德华平台是下一代量子技术的一个可行且强大的基础。
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