Deterministically fabricated C-band single-photon sources based on quantum dot circular Bragg grating cavities

安全通信与超高速计算的未来依赖于一种奇特且脆弱的资源：光不再表现为连续的流，而是表现为单个、不可分割的粒子。科学家们称这些粒子为光子，在量子技术领域，它们是完美的信使。不同于来自灯具或激光笔的混乱光线，真正的量子光源可以被诱导为按需精确地一次只释放一个光子。这种精确性是量子网络的基石，在量子网络中，信息被编码在单个粒子的状态中。然而，为了让这些网络能够在长距离范围内工作，光必须通过现今承载我们互联网的相同玻璃光纤进行传输。这要求光子被调谐到特定的颜色范围，即C波段，在该波段下玻璃光纤最为透明，信号损耗也最小。创造一种可靠的此类特定单粒子的来源长期以来一直是一个挑战，特别是由于自然发射该颜色光的材料往往难以产生彼此完全相同的光子，而这种特性对于未来的复杂计算至关重要。

研究团队现在通过创造一种结合了精密制造与巧妙光学设计的全新光源，在解决这一问题方面迈出了重要一步。通过使用被称为量子点（充当人工原子的半导体材料微小岛屿）的材料，科学家们成功地将这些发射体捕获在一种旨在捕捉并引导其光的特殊结构内部。这些量子点是使用标准的工业方法生长出来的，这使得该过程具有可扩展性，并且经过工程设计以发射C波段的光，即光纤通信的黄金波段。随后，研究人员使用一种高度精确的技术来定位单个量子点，并在每个点周围构建一个圆形的镜面状图案。这种被称为圆型布拉格光栅（circular Bragg grating）的图案就像一个漏斗，收集那些原本会向四面八方散射的光，并将其引导成一束单一的光束。结果是，这种器件能够可靠地从固体材料中提取单光子，并将其直接导入光纤电缆中，而无需复杂的外部设备来增强其亮度。

这项成就的核心在于团队如何将光源与光学结构进行集成。研究人员并没有试图猜测这些微小的发光点位于何处，而是采用了一种先观察到这些点，然后再以纳米级的精度围绕它们构建结构的方法。他们使用一台能够检测光的灵敏相机对单个量子点的位置进行映射，然后，在不移动样品的情况下，利用电子束直接在那个特定的点周围绘制出圆形光栅图案。这种确定性的方法确保了光源与光捕捉结构之间的完美对齐。最终生成的器件是一个由同心环组成的台阶（mesa，或称为凸起平台），这些环被蚀刻在材料中。这些环以数学上的精确间距排列，将特定波长的光反射回中心，从而有效地将光捕捉并迫使其向上方的一个狭窄开口处射出。

当研究人员测试这些器件时，他们发现圆形结构显著提高了他们可以收集到的光量。与具有相同材料的平面、无图案样品相比，新器件捕捉到的光量增加了大约三到四倍。这种提升不仅仅是让光变得更亮，它还保持了光子的质量。团队测量了单个光子在被重新吸收或丢失之前持续存在的时间，发现其寿命约为1,400皮秒。他们还测量了光的颜色锐度，结果显示颜色非常窄，表明光子定义明确且稳定。至关重要的是，研究人员无需使用共振激光器即可生成这些单光子，而共振激光器是一种更复杂且更精细的激发材料的方法。相反，他们使用了一种更简单的“带上激发”（above-band excitation）方法，这种方法更稳健，也更容易在实际应用中实现，尽管它通常会引入更多的噪声和不稳定。

或许最能说明问题的结果是关于光子是否相互相同的测试。在量子力学中，为了让两个光子能够以允许量子计算的方式发生干涉，它们必须是不可区分的，这意味着它们在时间间隔和颜色方面都是完美的副本。研究人员将来自其器件的光子对送入一个特殊的干涉仪，以观察它们是否会相互抵消，这种现象被称为洪欧-曼德尔效应（Hong-Ou-Mandel effect）。在实验条件下，他们观察到了约35%的可见度，这意味着光子表现出了显著的相似性。当他们应用后选择技术（post-selection technique）来过滤掉那些最完美的事件时，这个数字上升到了高达70%。虽然这尚未达到最先进实验中所见到的近乎完美的不可区分性，但对于一个依赖于较简单激发方法且未使用腔体来人为加速发射过程的系统来说，这是一个了不起的成就。尽管使用了噪声较大的激发方法，光子仍能保持这种相干水平，这一事实表明材料本身质量很高，且圆形布拉格光栅结构有效地隔离了光与环境干扰。

研究人员还探索了这些器件在不同温度下的表现，这是实际应用中的一个关键因素。他们发现，即使温度从接近绝对零度升高到约40开尔文，单光子的质量依然保持强劲。虽然性能在较高温度下略有下降，但器件仍能持续发射高纯度的单光子，这表明它们足够稳健，可以在标准冷却系统中运行，而不需要极端的深低温环境。团队指出，限制光子完美程度的主要因素可能与量子点周围的电荷波动以及量子点发射光所需的时间有关。他们建议，未来的改进可以来自于通过工程手段使材料发光更快（从而减少这些波动干扰的时间），或者通过使用更具选择性的激发方法来减少过程中产生的噪声。

这项工作展示了构建可直接集成到现有光纤网络中的可扩展量子光源的清晰路径。通过将成熟的工业生长技术与精确的确定性制造方法相结合，研究人员创建了一个既高性能又具备可制造性的平台。圆型布拉格光栅设计证明了它是从量子点中采集光的一种有效工具，将一种难以控制的材料转变为可靠的量子信息源。虽然在达到最高水平的单光子不可区分性方面仍有工作要做，但这项研究建立了一个坚实的基础。它表明，创造出易于激发、高效收集且与现代世界基础设施兼容的电信波段单光子源是可能的，这使量子互联网的愿景离现实又近了一步。