将量子发射器单光子源集成到光子集成电路上突破限制

许多光子量子信息处理系统的规模受到整个集成光子电路中量子光通量的限制。光源亮度和波导损耗是片上光子通量受限的根本因素。尽管在超低损耗芯片级光子电路和高亮度单光子源方面分别取得了实质性进展，但这些技术的集成仍然难以实现。

近日，美国国家标准与技术研究院（National Institute of Standards and Technology，NIST）的研究人员展示了量子发射器单光子源与晶圆级超低损耗氮化硅光子电路的集成，并证明了将量子发射器单光子源集成到光子集成电路上，波导损耗约为 1dB/m。研究人员还观察到了强驱动机制下的共振荧光，显示出对量子发射器进行相干控制的前景。这些结果表明向大规模芯片集成光子量子信息系统迈进了一步，在这种系统中，生成的单光子的存储、时分解复用或缓冲是至关重要的。

在这项工作中，超低损耗波导（ULLW）由高纵横比的Si₃N₄组成，厚度为40nm，宽度为2μm，埋于1μm SiO₂上覆层之下。片上单光子源包括一个直线型GaAs纳米波导，其中嵌入了InAs自组装量子点（QD），随后是一个绝热模式转换器，这种几何结构已被证明可以将量子点发射直接有效耦合到空气包层Si3N4脊形波导中。与绝热锥形波导相反，引入了为900nm以上的高反射率设计的一维光子晶体背反射器， 以允许单向发射到Si₃N₄波导中。为了使用模式转换器确保GaAs和Si₃N₄层之间的倏逝耦合，将含有量子点的GaAs器件放置成与Si₃N₄波导的顶部直接接触。时域有限差分（FDTD）模拟预测，制造的几何结构的最大理论单光子耦合效率ηQD-ULLW ≈ 0.31。

单光子源与超低损耗波导的集成

关于ULLW中相对较低的单光子耦合效率，主要影响因素包括次优的纳米光子设计和量子点定位，以及GaAs器件内的偶极矩取向。虽然已经开发了各种技术来解决后一个问题，但光子设计具有两个从基本上导致效率较低的因素。首先，波导几何结构的选择限制了量子点与波导的耦合。倏逝耦合微腔是实现更高整体耦合效率的另一种可行的窄带替代方案，也是未来工作的主题。基于腔的方法的一个优点是，通过耦合到谐振模式实现的高Purcell辐射速率增强可以使量子发射器的寿命T1更接近辐射极限T2 = 2T1，相干时间T2完全不受纳米制造的影响，从而提高了不可分辨性。另一方面，单个量子点在相对较宽的光谱范围内表现出各种激子跃迁，这可用于触发单光子发射之外的其他功能。重要的是，所有提出的提高源效率的方法仅涉及对GaAs器件层的修改，而电路的Si₃N₄超低损耗部分将不受影响。

通过超低损耗波导测量的单光子发射

在所设计的器件和实验配置中，研究人员观察到直接收集到ULLW中的共振荧光光谱（没有偏振滤波或时间门控）。 通过单独控制入射激光的偏振，使用谐振激光器激发，测得消光比 > 25。这得益于高纵横比ULLW提供的高空间模式滤波。研究人员注意到，在金刚石中集成Ge空位量子发射器的AlN电路中，在没有偏振滤波的情况下也观察到了共振荧光，并且仅控制泵浦偏振就足以通过片上超导纳米线单光子探测器（SNSPD）观察到波导耦合共振荧光。

量子点的共振荧光和相干控制

通过纳米光子设计和确定性的量子点定位，提高了量子点-波导耦合效率和单光子不可分辨性，并进一步最小化无源片上组件中的传播和插入损耗，这将更接近完全芯片集成的系统，实现实用的玻色子（Boson）采样和具有量子优势的相关光子量子信息任务。研究人员演示的超低传播损耗可能已经实现单量子发射器单光子源的时分解复用的片上延迟，以产生用于Boson采样的空间复用光子。

总之，本项工作的研究结果表明，在超低损耗≤1dB/m的光子集成电路中，量子发射器作为单光子源具有很高的应用前景，这对于在芯片上创建大规模的光子量子信息系统至关重要。

审核编辑：郭婷