Однофотонный источник квантовых точек

основан Однофотонный источник квантовых точек на одной квантовой точке, помещенной в оптический резонатор . Это однофотонный источник по требованию. Лазерный импульс может возбудить пару носителей, известную как экситон, в квантовой точке. Распад одиночного экситона вследствие спонтанного излучения приводит к излучению одного фотона. Из-за взаимодействия между экситонами излучение, когда квантовая точка содержит один экситон, энергетически отличается от излучения, когда квантовая точка содержит более одного экситона. Таким образом, одиночный экситон может быть детерминированно создан лазерным импульсом, и квантовая точка становится неклассическим источником света , который испускает фотоны один за другим и, таким образом, демонстрирует антигруппировку фотонов . Испускание одиночных фотонов можно доказать путем измерения корреляционной функции интенсивности второго порядка . Скорость спонтанного излучения испускаемых фотонов можно увеличить за счет интеграции квантовой точки в оптический резонатор . Кроме того, резонатор приводит к излучению в четко определенном оптическом режиме, повышая эффективность источника фотонов.

История

С ростом интереса к квантовой информатике с начала 21 века росли исследования различных видов однофотонных источников. Ранние однофотонные источники, такие как известные источники фотонов. о которых впервые сообщалось в 1985 году, они основаны на недетерминированных процессах. Источники однофотонных квантовых точек доступны по запросу. В 2000 году было сообщено об источнике одиночных фотонов на основе квантовой точки в структуре микродиска. Впоследствии источники были встроены в различные структуры, такие как фотонные кристаллы. или микропиллары. Добавление распределенных брэгговских отражателей (DBR) позволило излучать свет в четко определенном направлении и повысить эффективность излучения. Большинству источников однофотонных квантовых точек приходится работать при криогенных температурах , что по-прежнему является технической проблемой. Другая задача состоит в том, чтобы реализовать высококачественные источники однофотонных квантовых точек на длине волны телекоммуникаций для применения в оптоволоконных телекоммуникациях. Первый отчет об однофотонном излучении, усиленном Перселлом, квантовой точки телекоммуникационной длины волны в двумерном фотонно-кристаллическом резонаторе с добротностью 2000 показывает увеличение скорости излучения и интенсивности в пять и шесть раз соответственно.

Теория реализации однофотонного источника

Рисунок 1: Схематическая структура оптического микрорезонатора с одной квантовой точкой, расположенной между двумя слоями DBR. Эта структура работает как источник одиночных фотонов.

Возбуждение электрона в полупроводнике из валентной зоны в зону проводимости создает возбужденное состояние, так называемый экситон . Спонтанный радиационный распад этого экситона приводит к испусканию фотона. Поскольку квантовая точка имеет дискретные энергетические уровни, можно добиться того, чтобы в квантовой точке никогда одновременно не было более одного экситона. Следовательно, квантовая точка является излучателем одиночных фотонов. Ключевой задачей при создании хорошего источника одиночных фотонов является обеспечение эффективного сбора излучения квантовой точки. Для этого квантовая точка помещается в оптический резонатор . Полость может, например, состоять из двух РБО в микропилляре (рис. 1). Резонатор усиливает спонтанное излучение в четко определенном оптическом режиме ( эффект Перселла ), способствуя эффективному направлению излучения в оптическое волокно. Кроме того, уменьшенное время жизни экситонов $\Delta t$ (см. рис. 2) снижает значимость уширения линии из-за шума.

Рисунок 2: Распад возбужденного состояния с расширенной шириной линии приводит к излучению фотона частоты ħω. Уширение ширины линии является результатом конечного времени жизни возбужденного состояния.

Затем систему можно аппроксимировать моделью Джейнса-Каммингса . В этой модели квантовая точка взаимодействует только с одной модой оптического резонатора. Частота оптической моды четко определена. Это делает фотоны неразличимыми, если их поляризация выровнена поляризатором . Решением гамильтониана Джейнса-Каммингса является вакуумное колебание Раби . Вакуумные колебания Раби фотона, взаимодействующего с экситоном, известны как экситон-поляритон .

Чтобы исключить вероятность одновременного испускания двух фотонов, необходимо убедиться, что в резонаторе одновременно может находиться только один экситон. Дискретные энергетические состояния в квантовой точке допускают только одно возбуждение. Кроме того, блокада Ридберга предотвращает возбуждение двух экситонов в одном и том же пространстве... Электромагнитное взаимодействие с уже существующим экситоном незначительно меняет энергию создания другого экситона в том же пространстве. Если энергия лазера накачки настроена на резонанс, второй экситон не может быть создан. Тем не менее, существует небольшая вероятность наличия двух возбуждений в квантовой точке одновременно. Два экситона, заключенные в небольшой объем, называются биэкситонами . Они взаимодействуют друг с другом и таким образом слегка меняют свою энергетику. Фотоны, образующиеся при распаде биэкситонов, имеют энергию, отличную от фотонов, образующихся при распаде экситонов. Их можно отфильтровать, пропустив исходящий луч через оптический фильтр . Квантовые точки могут возбуждаться как электрически, так и оптически. Для оптической накачки можно использовать импульсный лазер для возбуждения квантовых точек. Чтобы иметь наибольшую вероятность создания экситона, лазер накачки настраивается на резонанс. Это похоже на $\pi$-импульс на сфере Блоха . Однако в этом случае излучаемые фотоны имеют ту же частоту, что и лазер накачки. Чтобы различать их, нужен поляризатор. Поскольку направление поляризации фотонов из резонатора случайное, половина испускаемых фотонов блокируется этим фильтром.

Экспериментальная реализация

Существует несколько способов реализовать систему квантовая точка-резонатор, которая может действовать как источник одиночных фотонов. Типичными структурами резонаторов являются микростолбы, фотонно-кристаллические резонаторы или перестраиваемые микрорезонаторы. Внутри полости можно использовать различные типы квантовых точек. Наиболее широко используемым типом являются самоорганизующиеся квантовые точки InAs, выращенные в режиме роста Странского-Крастанова , но другие материалы и методы роста, такие как локальное травление капель, были использованы. Список различных экспериментальных реализаций показан ниже:

• Микростолбики. В этом подходе квантовые точки выращиваются между двумя распределенными брэгговскими отражателями (зеркалами DBR). Оба DBR обычно выращиваются методом молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE). Для зеркал два материала с разными показателями преломления в поочередном порядке выращиваются . Параметры их решеток должны совпадать во избежание деформации. Возможная комбинация представляет собой комбинацию слоев арсенида алюминия и арсенида галлия . После первого DBR материал с меньшей запрещенной зоной для выращивания квантовой точки над первым DBR используется . Теперь второй слой DBR можно вырастить поверх слоя с квантовыми точками. Диаметр столба составляет всего несколько микрон. Чтобы предотвратить выход оптической моды из резонатора, микростолбик должен действовать как волновод. Полупроводники обычно имеют относительно высокие показатели преломления, около n≅3. Поэтому их экстракционный конус небольшой. На гладкой поверхности микростолбик работает как практически идеальный волновод. Однако потери возрастают с увеличением шероховатости стенок и уменьшением диаметра микростолбика. Таким образом, края должны быть как можно более гладкими, чтобы минимизировать потери. Этого можно достичь путем структурирования образца с помощью электронно-лучевой литографии и обработки столбиков реактивным ионным травлением .

• Перестраиваемые микрорезонаторы, содержащие квантовые точки, также можно использовать в качестве источника одиночных фотонов. В отличие от микростолбов, под квантовыми точками выращивается только один DBR. Вторая часть резонатора представляет собой изогнутое верхнее зеркало, физически отделенное от полупроводника . Верхнее зеркало можно перемещать относительно положения квантовой точки, что позволяет при необходимости настраивать взаимодействие квантовых точек резонатора. Еще одним преимуществом перед микростолбами является то, что зарядовую среду квантовых точек можно стабилизировать с помощью диодных структур. Недостатком системы микрополостей является то, что для настройки полости требуются дополнительные механические компоненты, что увеличивает общий размер системы.

• Микролинза и твердотельная иммерсионная линза . Для увеличения яркости однофотонного источника с квантовыми точками также использовались микролинзовые структуры. Идея состоит в том, чтобы уменьшить потери из-за полного внутреннего отражения, аналогично тому, чего можно достичь с помощью твердотельной иммерсионной линзы.

• Другими источниками однофотонов являются нанолучевые или фотонно-кристаллические волноводы. содержащие квантовые точки. Для таких структур DBR не нужны, но их можно использовать для повышения эффективности вывода. По сравнению с микростолбами эта архитектура имеет то преимущество, что возможна маршрутизация фотонов на кристалле. С другой стороны, размеры структур намного меньше, что требует более совершенных методов нанопроизводства. Непосредственная близость квантовых точек к поверхности является еще одной проблемой.

Проверка излучения одиночных фотонов

Источники одиночных фотонов демонстрируют антигруппировку . Поскольку фотоны испускаются по одному, вероятность увидеть два фотона одновременно для идеального источника равна 0. Чтобы проверить антигруппировку источника света, можно измерить автокорреляционную функцию $g^{(2)}(\tau )$. Источник фотонов является антигруппированным, если $g^{(2)}(0)$ ≤ $g^{(2)}(\tau )$. Для идеального источника одиночных фотонов $g^{(2)}(0)=0$. Экспериментально, $g^{(2)}(\tau )$ измеряется с использованием эффекта Хэнбери Брауна и Твисса . Используя резонансные схемы возбуждения, экспериментальные значения для $g^{(2)}(0)$ обычно находятся в режиме всего нескольких процентов. Значения до $g^{(2)}(0)=7.5\times 10^{-5}$ были достигнуты без резонансного возбуждения.

Неразличимость испускаемых фотонов

Для приложений фотоны, излучаемые одним источником фотонов, должны быть неразличимы . Теоретическое решение гамильтониана Джейнса-Каммингса представляет собой четко определенный режим, в котором случайной является только поляризация. Выровняв поляризацию фотонов, можно измерить их неразличимость. Для этого эффект Хонг-У-Манделя используется . Два фотона источника подготавливаются таким образом, что они попадают в светоделитель одновременно детектор 50:50 из двух разных входных каналов. На обоих выходах светоделителя установлен . Измеряются совпадения между двумя детекторами. Если фотоны неразличимы, никаких совпадений быть не должно. Экспериментально обнаружена почти идеальная неразличимость.

Приложения

Однофотонные источники имеют большое значение в науке квантовой связи. Их можно использовать для генераторов действительно случайных чисел. Одиночные фотоны, попадающие в светоделитель, демонстрируют внутреннюю квантовую неопределенность . Случайные числа широко используются в симуляциях с использованием метода Монте-Карло .

Кроме того, источники одиночных фотонов необходимы в квантовой криптографии . BB84 ​ Схема представляет собой доказуемую безопасную схему распределения квантовых ключей . Он работает с источником света, который идеально излучает только один фотон за раз. По теореме о запрете клонирования никакое подслушивание не может произойти незамеченным. Использование квантовой случайности при написании ключа предотвращает любые шаблоны в ключе, которые можно использовать для расшифровки кода.

Кроме того, источники одиночных фотонов можно использовать для проверки некоторых фундаментальных свойств квантовой теории поля .

См. также

• Оптический микрорезонатор
• Сколько вы даете?
• Однофотонный источник