Coherent control and high purity single-photon emission from telecom quantum dots on metamorphic InGaAs
本研究表明，通过对变质 InGaAs 基底上电信波段 InAs 量子点的相干准共振及声子辅助激发，能够实现对内在光学特性的观测，包括超窄线宽、高单光子纯度以及通过拉比类振荡实现的相干控制，证实了其在基于光纤的量子通信中的潜力。
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想象一个信息不再以电信号通过铜线传输，而是作为单个光包通过玻璃纤维移动的世界。这就是量子通信的愿景——一种依赖于发送被称为光子的单个光粒子来确保绝对安全地传输数据的未来技术。为了使这一系统发挥作用，光源必须是完美的：它们必须每次只发射一个光子，并且这些光子必须彼此完全相同，在任何方面都不可区分。虽然自然界提供了许多产生光的方式，但寻找一种能够可靠地产生在全求电信网络所使用的特定波长下的完美单光子的光源，一直是一个重大挑战。科学家们转向了被称为量子点的半导体材料微粒，它们就像人工原子一样，试图解决这个问题。然而，它们发出的光的质量往往在很大程度上取决于如何对其进行激发，而以往的方法掩盖了它们的真实潜力。
现在，一支研究团队揭开了围绕这些量子点复杂性的层层迷雾，展示了它们的内在能力。研究人员使用两组经过工程设计的、旨在发射在被称为 O 波段和 C 波段的电信波段内光的量子点样本，旨在确定激发方法（即向量子点注入能量的方式）如何改变其产生光的质量。他们比较了四种不同的方法：用远高于其自然工作范围的高能光轰击量子点、照射周围的一层材料，以及另外两种针对量子点内部特定能级的更精细的方法。通过系统地在这些技术之间进行切换，研究人员能够将测量过程引入的噪声和缺陷与量子点本身的固有属性区分开来。
这种仔细对比的结果是令人震惊的。当研究人员使用传统的、高能的方法时，量子点发出的光看起来有些模糊且杂乱，具有较宽的颜色分布。然而，当他们切换到更精确的方法时，光变得显著锐利。研究人员观察到，光的能量分布显著变窄，达到了低至 21 微电子伏特的水平，这一数值如此之细微，几乎接近了他们测量设备的物理极限。这种变窄表明，量子点的稳定性和纯度比之前认为的要高得多。此外，更精确的激发方法消除了此前曾干扰数据的缓慢、持续的信号，揭示了量子点释放能量的过程可以比早期测量所暗示的更加干净、快速。
或许最关键的发现涉及单光子的纯度。在完美的单光子源中，设备绝不应该在同一时刻发射两个光子。利用一套专门用于测量光粒子计时的装置，团队发现，在新的激发方案下，量子点意外同时发射两个光子的概率降至仅 0.02。这是一个极低的数字，表明这些量子点能够产生满足未来量子网络严格要求的单光子纯度。研究人员还发现，通过将激光调节到量子点内的特定高能级，他们可以诱导一种被称为拉比振荡（Rabi oscillations）的节奏性、振荡行为。这一观察结果证明，团队不仅可以产生光，还能以高度的精确度控制它，这是实现高级量子操作的必要步骤。
该研究还绘制了这些量子点的内部能量结构图，识别了量子点在重新发射光之前吸收能量的特定共振点。这些共振点在不同样本中保持一致，表明其底层物理机制是稳健且可预测的。通过理解这些内部能级，科学家们确认他们可以可靠地访问量子点的激发态，而不会干扰周围的材料。这种控制水平，结合所发射光的高纯度，表明这些变质量子点是下一代量子技术的一个极具潜力的平台。这项工作表明，仅仅通过改变这些微小结构的受激方式，科学家就可以解锁此前被隐藏的性能水平，让基于光纤的安全量子互联网之梦离现实又近了一步。
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