2021年度中國半導(dǎo)體十大研究進(jìn)展
——高亮度軌道角動量單光子固態(tài)量子光源

光子的軌道角動量（OAM，orbital angular momentum）能夠形成一個無限維完備的Hilbert 空間，是一種具有無限維度的獨特物理自由度。在信息處理中，光子的軌道角動量可以大幅度增加經(jīng)典和量子信息處理的容量。具有軌道角動量的單光子源是高維量子信息處理的關(guān)鍵器件，此前的實現(xiàn)方案是非線性參量下轉(zhuǎn)換加螺旋相位片，其固有的概率性和低效率制約了大容量高維量子信息處理的發(fā)展。為突破這一瓶頸，中山大學(xué)王雪華、劉進(jìn)教授研究團(tuán)隊提出、設(shè)計并制備出一種基于GaAs半導(dǎo)體微環(huán)諧振腔的量子光源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了觸發(fā)式高亮度的軌道角動量單光子源。

將半導(dǎo)體單量子點嵌入角向光柵微環(huán)諧振腔中，可使量子點與具有軌道角動量的微腔模式實現(xiàn)高效耦合，增強(qiáng)量子點的發(fā)光效率，進(jìn)一步利用角向光柵實現(xiàn)了對單光子進(jìn)行向上散射。實驗制備的關(guān)鍵在于是否能把量子點精確地位在微腔的最佳位置，通過利用已發(fā)展的定位精度達(dá)10 nm 的熒光成像精確定位技術(shù)和微納加工制備技術(shù)，實現(xiàn)了量子點在角向光柵微環(huán)諧振腔中的精確定位，在國際上制備出光源亮度達(dá)0.23（4）的高亮度觸發(fā)式軌道角動量單光子發(fā)射器件，如圖1 所示。制備的光源亮度（每個脈沖的單光子產(chǎn)率）是以前方案在同樣純度下的7.9 倍【與Nat. Nanotechnol.12，1026 （2017）圖1b 比較】，是目前所報道的最亮軌道角動量單光子源。

圖1 高亮度觸發(fā)式軌道角動量單光子發(fā)射器件

該研究工作是首次在半導(dǎo)體芯片上實現(xiàn)攜帶軌道角動量的單光子發(fā)射，推動半導(dǎo)體片上量子光源性能的按需調(diào)控和高維量子信息處理邁出非常重要的一步。此外，該器件與半導(dǎo)體加工工藝兼容，具有器件尺寸小，可集成、可擴(kuò)展的優(yōu)勢，打破了大容量高維量子信息處理芯片缺乏高效可集成光源的困境，有望應(yīng)用于芯片的高維量子通信、量子計算、量子存儲等領(lǐng)域，對于發(fā)展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技術(shù)具有重要意義。

相關(guān)研究以“Bright solid-state sources for single photons with orbital angular momentum”為題發(fā)表在《Nature Nanotechnology》（鏈接：https：//www.nature.com/articles/s41565-020-00827-7）。

◆團(tuán)隊簡介◆

王雪華，教授，中山大學(xué)副校長。教育部長江學(xué)者獎勵計劃特聘教授，國家有突出貢獻(xiàn)政府特殊津貼獲得者。國家973 計劃（含重大科學(xué)研究計劃）等重大項目的首席科學(xué)家。長期從事納米光子學(xué)的理論和實驗研究，在克服制約微納光子高效的重大障礙（如散射、泄漏和吸收）以及高性能微納光電子器件及其集成芯片的實現(xiàn)原理和技術(shù)等方面做出了重要的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)。迄今已發(fā)表論文115篇，包括Nat.Nanotechnol.2篇、PRL7篇、Nat.Commun.2篇、Sci.Adv.1篇、Light：Sci.&Appl.2篇、Adv.Opt.Mater.3篇。

劉進(jìn)，中山大學(xué)教授、博導(dǎo)。國家海外高層次青年人才、教育部長江學(xué)者獎勵計劃特聘教授。長期從事微納光學(xué)和量子光學(xué)的實驗研究工作，在固態(tài)量子光源與微納激光器以及高性能半導(dǎo)體微腔等領(lǐng)域進(jìn)行科研攻關(guān)。迄今已發(fā)表論文50余篇，包括Nat.Nanotechnol.4篇，PRL2篇。研究成果曾入選2008年度中國光學(xué)重要進(jìn)展、2019年中國高校十大科技進(jìn)展和2019年度中國光學(xué)十大進(jìn)展。任Science Bulletin等期刊的編委，擔(dān)任CELO（2018-2020）CLEP-PR的TPC Member和ACP 2020專題主席。