基于单光子相互作用的量子逻辑门是组成光量子计算机的基本单元，逻辑门规模的可扩展性(scalability)是实现光量子计算机的关键。“可扩展性”这一要求，对单光子的利用效率设置了极高的阈值：根据量子计算机架构的不同，阈值效率（扣除系统所有损耗，包括探测损耗）为50%或66%。这要求单光子辐射必须要以近乎完美地耦合到单一光场模式中，例如高斯基模，以获得高效使用。针对这一难题，我院陈学文教授与德国马普光学研究所S. Götzinger教授合作提出一种光学天线结构，用于将固态单量子系统的单光子辐射导引到高斯基模中，效率可望达到95%，为满足“可扩展性”的要求提供了一种可行的途径。相关研究成果近日以《Truncated Metallo-Dielectric Omnidirectional Reflector: Collecting Single Photons in the Fundamental Gaussian Mode with 95% Efficiency》为题发表于国际纳米光子学著名期刊ACS Photonics上。
光学天线以95%的效率导引单光子辐射至高斯基模
该工作是基于光子晶体禁带和缺陷波导模式的原理抑制辐射体的大角度辐射、增强其与缺陷波导模式(defect guided mode)耦合从而达到小角度辐射的效果。该结构与各种材料系统和操作条件兼容，具有带宽很宽、对制造缺陷不敏感和与各种固态辐射体兼容等性质。并且此概念可以被应用于可以制造的各种结构和各种光源（如：胶体量子点，氮空位中心和自组装InGaAs量子点）。为了降低了实验上制作的难度，团队成员基于第二禁带，尤其是针对自组装半导体量子点进行了结构优化与实验方案设计。他们的设计是实现单光子源的蓝图，该单光子源能够每秒向单模光纤中传输超过一亿个光子。器件有望用于各种光量子计算机体系，例如玻色子采样器或具有空前数量光子的簇态量子计算机。此外，量子辐射体的单向高斯模式发射为单量子系统间的完美相互作用打开了大门，辐射和吸收在空间上可以完美匹配。我院2018级博生李莞聪和德国马普所Luis Morales-Inostroza博士为共同第一作者，陈学文教授和Stephan Götzinger教授为共同通讯作者。
单光子是量子保密通信、光量子计算、量子精密测量以及其他新兴量子技术的核心载体。孤立的单个量子系统，由于激发、辐射这一过程需要一定的时间，因此是天然的单光子辐射源。特别是镶嵌在固体基质中的类原子辐射体，例如自组装量子点、金刚石色心、有机单分子等，由于辐射源周围的固体材料可以通过微纳加工形成新颖光学结构，从而其辐射性质可被较自由地调控，因此固态单光子源获得了人们的极大关注。近年来高收集效率、可控性好的固态单光子源在国内外已有不少报道。然而，仅仅有高收集效率还是不够，单光子需要能被自由地传送，对许多量子技术的应用而言，需要将单光子高效率地发射到特定的光场空间模式中，其中最有用的模式就是高斯基模。因为高斯基模可以与单模光纤基模匹配，从而高效地耦合到光纤中，这样可被远距离传送而且可使各个单光子间的空间模式完全一样，提高逻辑门效率。事实上，将单光子辐射耦合到高斯基模，并不只是出于便于传输的考虑，而更是出自于它的必要性，长距离的量子通讯和量子纠缠比特的生成就是两个典型的例子。
此前，陈学文教授团队将有机单分子均匀的分布在厚度为100纳米左右的固态结晶状纳米薄片中，借助于晶体结构的稳定的保护作用，得到了具有高转换效率，辐射亮度强，稳定性好的单光子源。同时，由于晶体结构展现出的优良的机械稳定性能，成功地将纳米晶体片转移至光学结构中形成平板Yagi-Uda光学天线，实现了光子辐射角的大幅度压缩，以接近高斯模式辐射。该实验成果以标题为《Single-Molecule-Doped Crystalline Nanosheets for Delicate Photophysics Studies and Directional Single-Photon-Emitting Devices》发表在物理学类重要期刊Physical Review Applied上。
单晶纳米片中的单分子及单光子源器件
该项工作展示了单个DBT分子嵌在结晶状纳米薄片体系可以作为精致的光物理研究和构建单光子器件的固态平台。高质量的单个晶状纳米薄片使得可以在室温下首次在原位观察到分子插入位点跳变。薄厚度（~100 nm）、良好的光稳定性和机械稳定性使得DBT-AC纳米薄片体系有望成为量子集成光路中量子结点的优秀候选者之一。
以上工作研究工作得到国家自然科学基金项目的经费支持。原文链接：
https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.13.064023；
https://dx.doi.org/10.1021/acsphotonics.0c00730.
