用于产生单光子和纠缠光子对的装置制造方法及图纸

本发明专利技术的实施例提供了一种用于产生光子的装置(300)，其包括插入到具有至少一个光学模式的微柱型光学腔(302)中的量子盒(301)，该量子盒(301)具有至少一种基本态和两个具有一个元激发的状态，光学腔(302)具有底面和顶面，底面承载电接触(305)，该光子产生装置(300)有利地包括：彼此电绝缘的至少三个电接合垫(304a、304b、304c)，所述至少三个电接合垫(304a、304b、304c)围绕腔(302)的顶面布置。304c)围绕腔(302)的顶面布置。304c)围绕腔(302)的顶面布置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于产生单光子和纠缠光子对的装置

技术介绍

[0001]本专利技术总体上涉及光子源，并且特别地涉及用于产生单光子和纠缠光子对的装置以及实施该装置的方法。
[0002]量子通信网络的部署需要建立能够产生一连串光脉冲的单光子源，其中每个脉冲包括一个且仅一个光子。这种源能够为两个远程联系人提供密钥，从而允许他们对后续通信进行加密。无论是光纤还是自由空间，传播通道的缺陷都将这种应用的范围限制在几百公里以内。量子通信网络的范围可以通过依赖于光子对的纠缠的量子中继器来扩展。具有单光子或纠缠光子对的脉冲的产生可以通过纳米尺寸的发射器来进行，使得它们的电子态之间的跃迁对应于单量子偶极子的辐射。
[0003]此外，量子计算机的创建依赖于能够作为量子比特操作的系统。量子比特是两个基本态的相干叠加(一般表示为|0>和|1>)，使得其可以取无限大的可能值，这与由值为0或1的传统计算机操纵的二进制比特不同。量子比特可以是固态的，或者具有光子性质。虽然第一种类型在存储和处理方面提供了灵活性，但光量子比特允许在长距离上传输量子信息。为了允许处理和传输量子信息，一般的做法是，联合使用与两个要素之间的界面相关联的光量子比特和处于固态的量子比特。
[0004]近年来，在包括部署量子通信网络和创建量子计算机在内的应用中使用量子盒已经经历重大增长。对这种纳米结构的兴趣通过它们与原子在电荷载流子的限制和其能级的量化方面的相似性来解释。这样的特征允许量子盒通过响应于适当的光适应的自发发射过程来产生单光子，从而可以使电子从价带迁移到导带。相同的机制可以适用于将两个电子置于导带的相同能级，并产生纠缠光子对。量子盒还允许光与受约束的电荷载流子的特征进行可靠的相互作用。
[0005]用作单光子或纠缠光子对的源的独立量子盒通常在亮度和比特率方面受到限制。亮度量化每个光脉冲具有单光子或纠缠光子对的概率，而比特率测量每秒发射的光子数并且等于如上限定的亮度与控制激发量子盒的光脉冲的发射时钟速率的乘积。为了提高量子盒在亮度和比特率方面的性能水平，已知的实践是将量子盒插入谐振光学腔中。这种配置利用了珀塞尔效应(也被称为“微光材料耦合系统”)，以增加量子盒在腔模式下的自发初始速率并使其可以更有效地收集由量子盒发射的光子。量子盒封装在光学腔中还使得可以降低量子盒对环境扰动(机械、电气等)的敏感性，并且可以产生不可分辨的单光子，即在量子态方面是相同(相同的频率、相同的偏振态、相同的空间和时间分布)的单光子。
[0006]量子盒通常具有通过分子射流外延法获得的半导体性质，该分子射流外延法包括：使在间隙能量和网格参数方面不同的半导体层生长。这种不同产生了能够将电荷载流子约束在三维空间中的纳米尺寸的量子盒。
[0007]量子盒价带的电子可以穿过导带，以与留在价带中的空穴一起形成电子
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空穴对——也称为激子。激子的形成可以通过吸收能量大于或等于形成量子盒的材料的阻带的光子来进行。与激子的形成相对应的激子态是不稳定态，并且通过根据自发发射过程发射光子而将电子与空穴复合来进行中性态(也称基本态)的重建，其特征在于：辐射寿命为纳
秒量级，以及发射波长(或频率)对应于形成量子盒的材料的阻带。
[0008]量子盒可以将由库仑相互作用耦合的两个激子所形成的双激子约束在共享一个相同的基本态中。双激子态的能级大于单激子所占的能级。双激子的形成可以通过连续吸收两个光子来进行。双激子的弛豫也是根据产生连续发射的两个光子的自发发射过程进行的。因为库仑相互作用根据量子盒中激发的是一个电子
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空穴对还是两个电子
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空穴对而不同，所以这两个光子以不同的波长发射。因此，在系统从双激子态向激子态跃迁时发射的光子的波长与在系统从激子态向中性态跃迁时发射的光子的波长不同。
[0009]所吸收的用以形成激子的光子的偏振态和在电子
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空穴复合时发射的光子的偏振态服从受泡利不相容原理和角矩守恒所控制的光学选择规则。这种选择规则取决于电子
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空穴对的自旋态，并且规定了它们复合时发射光子的明亮激子态是对应于具有相反符号的自旋态的明亮激子态。在量子盒具有圆柱对称性的情况下，系统呈现两个能量简并的明亮激子态。图1示出在具有圆柱形对称性(或“各向同性”)的半导体量子盒100中形成的双激子103的弛豫，其中仅实施明亮激子态。通过连续发射两个光子在具有三个能级的系统中进行约束在各向同性的量子盒100中的双激子103的弛豫。为此，有两种可能的途径：
[0010]‑
通过发射右旋圆偏振光子将双激子103弛豫到激子1020，然后通过发射左旋圆偏振光子将激子1020弛豫到基本态101；或
[0011]‑
通过发射左旋圆偏振光子将双激子103弛豫到激子1021，然后通过发射右旋圆偏振光子使激子1021弛豫到基本态101。
[0012]考虑到这两条途径是不可分辨的，由于激子1020和1021是简并的，这导致了发射一对偏振纠缠光子。
[0013]应该注意的是，单光子的产生可以通过利用激子1020或1021到基本态101的复合来进行，进而在此情况下，经历双激子态103是无意义的。双激子103的产生对于纠缠光子对的产生是必需的。
[0014]然而，在实践中，半导体量子盒是各向异性的，这牵涉到对激子能级简并的提升(lift)，并因此牵涉到所发射光子的纠缠的损失。这种简并的提升主要是由量子盒形式的各向异性效应、压电效应、机械约束等引起的。在各向异性的量子盒中，明亮激子态通过能量量(被称为“精细结构分裂”)所分隔开，并且该明亮激子态是对称的量子盒中所限定的基本态的线性组合。各向异性量子盒中的激子态呈现沿着与结晶方向相对应的两个特定轴“x”和“y”(轴“z”是生长轴)线性偏振的光发射。图2示出了各向异性的半导体量子盒200中双激子203的复合。双激子203到基本态201的弛豫可以通过留下激子2020或2021(其中该激子2020或2021又根据与双激子203相同的偏振态进行弛豫)而仅根据在量子盒的特定轴之一(“x”或“y”)上的线性偏振态来完成。激子能级简并的提升导致所产生的两个光子之间的纠缠的全部或部分损失。
[0015]已知的实践是，通过共振激发两个明亮激子态的叠加并且通过利用按照“x”和“y”极化的两个激子态之间的相位随时间的变化ΔΦ而使用各向异性量子盒来产生性能水平提高的单光子，其速度(称为“转换速度(transfer speed)”，因为它控制着从发射光子的线性偏振状态到正交状态的转变，如将参照图10更详细地解释的)按照以下关系：与精细结构分裂值成比例，即减少的普朗克常数。激发可以用在与量子
盒的特定轴不共线的轴上线性偏振的光子来完成，理想情况下，取向为45度。为了只收集量子盒所产生的光子，只检测在与激发光子的方向成直角的方向上线性偏振的光子。通常，精细结构分裂值决定了单光子源在亮度和纯度方面的性能水平，纯度量化了在相同激发周期期间产生单光子的能力。在制造量子盒的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于产生光子的装置(300)，包括量子盒(301)，所述量子盒(301)插入到具有至少一个光学模式的微柱型光学腔(302)中，所述量子盒(301)具有至少一个基本态和两个具有一个元激发的状态，所述光学腔(302)具有底面和顶面，所述底面承载电接触(305)，所述装置包括：彼此电绝缘的至少三个电接合垫(304a、304b、304c)，所述至少三个电接合垫(304a、304b、304c)围绕所述腔(302)的顶面布置，其特征在于，所述装置还包括至少三个可调电压源(306a、306b、306c)，所述至少三个可调电压源(306a、306b、306c)用于在所述电接合垫(304a、304b、304c)中的每个与由所述光学腔(302)的底面承载的所述电接触(305)之间施加相应且可变的电势差。2.根据权利要求1所述的装置(300)，其中，所述电接合垫(304a、304b、304c)通过半导体臂(308a、308b、308c)链接到所述腔(302)的顶面，所述半导体臂(308a、308b、308c)相对于所述腔(302)径向定向，并且在切线方向上且在其最靠近所述腔的端部处具有比所述腔(302)的宽度小的宽度。3.根据权利要求1所述的装置(300)，其中，所述电接合垫(304a、304b、304c)链接到径向朝向所述腔(302)取向的半导体臂，并且所述半导体臂的端部通过空的间隙(309)或填充有亚微米宽度的电介质的间隙与所述腔(302)的顶面分隔开。4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(300)，其中，所述微柱型光学腔(302)形成P
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I
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N型二极管，所述量子盒(301)位于所述二极管的本征区(3021)中。5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(300)，其中，所述电接合垫(304a、304b、304c)由从所述腔(302)在光学上以及电学上解耦的相应支柱(303)承载。6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(300)，其中，所述微柱型光学腔(302)具有至少一个第一模式对和至少一个第二模式对，每个所述模式对都是偏振简并的，并且其中，所述量子盒(301)还具有一个具有两个元激发的状态。7.根据权利要求6所述的装置(300)，还包括：与光学腔(302)耦合的第二光学腔(310)，所述量子盒(301)插入所述光学腔(302)中，第一腔和第二腔(302、310)的几何形状以及它们的耦合力选择为使得由耦合的两个腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：帕斯卡尔，
申请(专利权)人：巴黎西岱大学巴黎萨克雷大学，
类型：发明
国别省市：