Broadband emitter localization and prefabrication two-photon interference from InAs/InP quantum dots monolithically grown on an InGaAsP/InP distributed Bragg reflector

为了构建一个未来计算机使用光而非电进行通信的世界，科学家们需要一种可靠的方法来一次只产生单个光粒子，即光子。这些微小的能量包是被称为量子信息处理的新型技术的根本单元，这种技术有望解决目前标准计算机无法解决的问题。然而，产生稳定的单光子流非常困难。最有前景的来源是被称为量子点的半导体材料制成的微型人工原子。虽然这些量子点可以发射所需的光，但它们往往随机散布在表面上，高效捕捉它们发出的光是一个主要障碍。此外，为了让这些系统能在现实世界的光纤网络中工作，光必须具有特定的颜色，即电信C波段，这种波段在通过玻璃电缆传输时损耗极小。挑战在于创造一种不仅能产生这些高质量光子，还能让科学家在构建复杂器件之前发现并定位特定量子点的系统，且这一切都不会降低光的精细特性。

波兰的研究人员现在展示了一种通过在单个晶圆上生长特殊材料堆栈来解决这些问题的新方法。他们创建了一个平台，其由低密度砷化铟和磷化铟量子点组成，放置在一个被称为分布布拉格反射镜（DBR）的镜面结构之上。这个反射镜并非简单的金属片，而是由不同的半导体材料交替层组成的，旨在将特定范围颜色的光向反射回上方。其目标是创建一个能够作为宽带光提取器的系统，从而增加量子点向其上方空气中逃逸出的光量，使其更容易被观察和研究。通过仔细设计量子点与反射镜之间的层厚度，团队模拟显示，该结构可以在四十纳米的颜色范围内捕获超过百分之十的发射光，这相比于大多数光被损耗或困在材料内部的标准设置有了显著改进。

团队使用一种称为金属有机气相外延（MOVPE）的技术，通过一个连续的过程生长了整个结构，这种技术可以实现对原子层的精确控制。他们首先校准了生长速率，以确保各层厚度正确，从而形成有效的电信C波段反射镜。生成的反射镜堆栈厚度约为4.8微米，并以一个间隔层结尾，该层将量子点定位在能够从反射镜反射中获益的最佳高度。为了验证生长的质量，他们利用原子力的显微镜检查了表面，发现量子点分布稀疏，密度约为每平方厘米1.3亿个。这些量子点的尺寸和形状非常均匀，形似具有正方形底座的小型平顶金字塔，这是产生一致性光线的理想特征。研究人员还通过测量反射率确认了该镜面结构达到了预期效果，其在目标波长处的反射率接近99%，创造了一个光线可以高效逃逸的宽阔窗口。

结构准备就绪后，研究人员转向了寻找用于光源的单个量子点的关键任务。由于反射镜增强了光输出，他们能够在样品冷却至极低温度时，使用宽场相机进行拍照。通过过滤光线，仅观察量子点发射的特定颜色，他们可以从背景噪声中分离出单个发射体。增强的亮度使他们能够以约2.5纳米的统计精度精准定位单个量子点的确切位置。这种精确度至关重要，因为这意味着科学家可以详细绘制特定量子点的坐标，以便日后直接在其上方构建定制设备，例如微型腔或透镜。这种能力将过程从随机搜索转变为确定性工作流，即可以选择特定的、高质量的发射体并将其集成到复杂的电路中。

一旦识别出单个量子点，团队便研究了其发射光子的质量。他们专注于一种特定类型的发射——带电激子（一种电子和空穴结合并带有额外电荷的状态），其发射波长为1549.5纳米。通过使用脉冲激光激发量子点，他们测量了量子点同时发射两个光子的频率，这是不纯度的迹象。他们发现，该量子点发射单光子的纯度约为94.7%，这意味着它很少发生同时发送两个光子的错误。更重要的是，他们测试了光子之间是否具有一致性，即不可分辨性，这是量子干涉的关键。通过将来自量子点的光子对送入特殊的干涉仪，他们观察到在两纳秒的时间窗口内，光子的干涉可见度为51%。当在较长的四纳秒窗口内测量时，可见度降至41%，但这些结果是在没有使用任何额外结构来人为加速发射过程的情况下实现的。

这项工作的意义在于，研究人员使用简单的、未经加工的平面结构就实现了这些结果。在许多之前的实验中，只有在将量子点嵌入复杂的共振腔（以增强其发射速率）之后，才能观察到高水平的光不可分辨性。在这里，团队表明，仅仅通过将量子点放置在宽带反射镜上，其内在的光质就已经足够高，能够产生强烈的干涉效应。这表明该材料系统本身是稳健的，且光子在进行最终器件制造之前就已保留了其量子特性。这种高效的光提取、精确的发射体定位以及高光子相干性的结合，为构建未来的量子器件提供了坚实的平台。它证明了通过精心设计材料的生长和底层反射镜，可以创造出一个既具可扩展性，又能提供高质量光以满足先进应用（如安全通信和量子计算）要求的量子技术起点。