光子的軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum,OAM)能夠形成一個(gè)無(wú)限維完備的Hilbert空間，是一種具有無(wú)限維度的獨(dú)特物理自由度。在信息處理中，光子的軌道角動(dòng)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(dòng)量的單光子源是高維量子信息處理的關(guān)鍵器件。迄今為止，產(chǎn)生攜帶軌道角動(dòng)量的單光子都是由非線(xiàn)性過(guò)程概率性的產(chǎn)生，且效率很低，成為制約高維量子信息處理的主要瓶頸。
為克服上述挑戰(zhàn)，我校物理學(xué)院王雪華、劉進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)提出將單量子點(diǎn)嵌入角向光柵微環(huán)諧振腔中的微納集成量子光源結(jié)構(gòu)，使量子點(diǎn)與具有軌道角動(dòng)量的微腔模式實(shí)現(xiàn)高效耦合，增強(qiáng)量子點(diǎn)的發(fā)光效率和角向光柵對(duì)單光子的向上散射。實(shí)驗(yàn)制備的關(guān)鍵在于是否能把量子點(diǎn)精確定位在微腔的最佳位置，他們通過(guò)前期研究“三高”量子糾纏光子源【Nature Nanotechnology, 14, 586 (2019)】所發(fā)展的定位精度達(dá)10納米的熒光成像精確定位技術(shù)和微納加工制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)在角向光柵微環(huán)諧振腔中的精確定位，在國(guó)際上制備出光源亮度達(dá)0.23(4)的最亮芯片式觸發(fā)軌道角動(dòng)量單光子發(fā)射器件，如圖所示。
圖. 嵌入量子點(diǎn)的微環(huán)諧振腔產(chǎn)生攜帶OAM量子疊加態(tài)的單光子源示意圖及樣品實(shí)物圖
該研究工作是首次在芯片上實(shí)現(xiàn)攜帶軌道角動(dòng)量的單光子發(fā)射，為推進(jìn)量子光源性能的按需調(diào)控和高維量子信息處理邁出了非常重要的一步。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(shì)。
該成果于2021年1月11日以“Bright solid-state sources for single photons with orbital angular momentum”為題在線(xiàn)發(fā)表在Nature Nanotechnology期刊上，我校陳波博士后和韋玉明博士后為共同第一作者，劉進(jìn)教授和王雪華教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委、廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃、廣東省自然科學(xué)基金、廣州市科技計(jì)劃、高校基礎(chǔ)科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目以及國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心的大力支持。
