我校物理學(xué)院王雪華教授團(tuán)隊(duì)在量子糾纏光源研究領(lǐng)域深耕多年，借助國(guó)際合作，率先研制出綜合性能俱佳的“三高”量子糾纏光子對(duì)源，該成果以“A solid-state source of strongly entangled photon pairs with high brightness and indistinguishability”為題于2019年4月22日在線(xiàn)發(fā)表于《自然-納米技術(shù)》(Nature Nanotechnology)雜志。同期評(píng)論報(bào)道對(duì)此項(xiàng)研究進(jìn)展給予了高度評(píng)價(jià)：“能夠按需產(chǎn)生極化糾纏光子對(duì)的量子點(diǎn)光源已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，這標(biāo)志著可擴(kuò)展、可集成量子光子學(xué)和信息處理的一個(gè)重要里程碑”（A semiconductor quantum dot that generates polarization-entangled photon pairs on demand has been realized, marking an important milestone for scalable integrated quantum photonics and information processing.）：https://www.nature.com/articles/s41565-019-0440-z。
量子光源是量子信息和量子光電集成芯片不可或缺的量子器件。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC)一直是產(chǎn)生量子光源的主要傳統(tǒng)方法。然而，這種方法不僅效率很低，而且本質(zhì)上是概率性的，這些缺點(diǎn)限制了量子光源的可擴(kuò)展性和可重復(fù)性。量子點(diǎn)（或其它輻射子）的量子光源可以根據(jù)需要由外部電脈沖或光脈沖觸發(fā)來(lái)產(chǎn)生確定性的單光子或糾纏光子對(duì)，但也存在很大困難：半導(dǎo)體材料的高折射率和側(cè)向及背向的光子泄露會(huì)嚴(yán)重降低量子光源的亮度（收集效率），其糾纏保真度和不可區(qū)分性也相對(duì)較低。因此，實(shí)現(xiàn)高亮度、高糾纏保真度和高不可區(qū)分性的“三高”量子光子源一直是量子信息科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
王雪華教授團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)這一國(guó)際前沿重大挑戰(zhàn)，基于量子光輻射控制理論，提出一種如下圖所示能克服光子側(cè)向和背向泄露且能極大提高光子前向出射的新型微納“射燈”結(jié)構(gòu)，其單光子理論收集效率在較大的帶寬中超過(guò)90%、最高可達(dá)95%。
該“射燈”結(jié)構(gòu)量子光源的實(shí)驗(yàn)制備難度極大，因?yàn)樗笕蠛诵奈⒓{制備技術(shù)：厚度160nm左右且內(nèi)有量子點(diǎn)的薄膜轉(zhuǎn)移技術(shù)；定位精度小于10nm的量子點(diǎn)光學(xué)精確定位技術(shù)；環(huán)形槽寬度制備精度小于5nm的高質(zhì)量牛眼微納結(jié)構(gòu)制備技術(shù)。為實(shí)驗(yàn)制備出這一性能優(yōu)越的量子光源，王雪華教授團(tuán)隊(duì)自2013年開(kāi)始，從零起步，堅(jiān)持不懈，不斷探索，先后發(fā)展和掌握了上述三大核心微納制備技術(shù)，在國(guó)際上率先制備出綜合性能俱佳的“三高”量子糾纏光子對(duì)源(見(jiàn)下表)。該工作中的量子點(diǎn)樣品由奧地利林茨大學(xué)Armando Rastelli教授研究組提供，論文第一作者為我校劉進(jìn)教授和蘇榕彬博士，通訊作者為奧地利林茨大學(xué)Armando Rastelli教授、我校李俊韜教授和王雪華教授。
上述研究工作得到了國(guó)家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金，廣東省重大科技專(zhuān)項(xiàng)和自然科學(xué)基金，中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州市集成光子系統(tǒng)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及中山大學(xué)國(guó)家超級(jí)計(jì)算廣州中心的支持。
