Only Perception: 科學家讓「單光子源」更加明亮

2007-12-15

科學家讓「單光子源」更加明亮

Scientists make single-photon sources brighter
http://www.physorg.com/news116670671.html

December 12, 2007
By Lisa Zyga

科學家在開發單光子光源上達成一項重要進展，讓量子應用，如量子運算與量子密碼學更接近現實。

UCSB 的研究團隊，由物理教授 Dirk Bouwmeester、數學與 ECE 教授Pierre Petroff 以及 ECE（電子與電腦工程）教授 Larry Coldren 領軍，創造出一種強健的、微米尺寸的半導體裝置，它能夠依照需求，在每秒 310 萬個光子的速率（31 MHz）下，將單光子放射到光纖中，比先前的可能性要好上 5 倍。

這些科學家的研究成為 Nature Photonics 12 月號的的封面。在這份刊物中，研究者描述他們如何開發基於半導體量子點的單光子源，那在結構上很堅固耐用並提供達到 38% 高水準的光取出效率（light extraction efficiencies）。有幾項創新對如此高的效能做出貢獻，包括一個新的微共振腔（microcavity）設計、內嵌式氧化物孔徑（embedded oxide apertures）與電子閘極（electrical gates）來控制活躍量子點材料的放射速率。

"將這些手法與一種經適當設計的半導體裝置結合在一起，讓我們能夠每秒測得 500 萬個單光子，相當於 31 MHz 的淨單光子產生率，" Stefan Strauf，Stevens 理工學院的助教授表示。"此外，我們在 116 MHz 的速率下記錄到單光子的特徵，不過因為技術限制，只有在連續的狀況下，而非脈衝的雷射刺激。在此「on-demand」的特性消失。然而，這些實驗證明仍有更進一步改善這個裝置的可能性。"

研究者的設計是建立在一種用來產生單光源的常見技術：利用光學微共振腔獲得一個獨特量子點所散發出來的光。在一個光學共振腔的協助下，當光被擠壓至圍繞量子點四周的小空間時，量子點內部的電子載體會被迫更迅速釋出光線。

為了要強而有力的限制光線，微共振腔需要十分精確的幾何形狀。在過去，科學家得要蝕刻尺寸如次微米般微小的微柱（micropillars）以便將光侷限住，但不利之處在於蝕刻會導致粗糙的側壁產生，那會將光散射掉。

他們並非蝕刻微小的微柱，相反的這些科學家蝕刻出大溝槽，留下直徑約 20 微米的共振腔，並使用內嵌式鋁氧化物孔徑將光場侷限至一個微小空間中，成功地避免掉散射損耗。結果證明此孔徑設計在物理上亦強過易碎的柱狀物，讓科學家能附加電子接點以控制量子點的放射（因為 Purcell 效應），也更進一步改進光子產生率。

這項新設計亦開啟新的可能性來探索形成微共振腔之蝕刻溝槽的幾何學（參見 Nature Photonics 的封面）。此一幾何學亦影響微共振腔內受侷限光場的形狀，也因此支配了散發光場的偏振。在電子接點的協助下，研究者示範單光子偏振的電壓控制。這種能力對於量子密碼學來說很重要，能讓二進位碼的 0 與 1 編碼至光子的偏振中。

另一個重要的改善是，科學家能夠禁止「暗態（dark states）」的形成，這是一件之前辦不到的事。當電子與電洞被一個量子點捕獲時，它們會形成激子（excitons），其自旋不是 1 就是 2。如同科學家所解釋的，自旋態在 1，能讓激子耦合到光場中並且重組，不過自旋態是 2 者，就無法發射，並形成所謂的「暗態」。

"你想要避免這些所謂的暗態形成，" Strauf 解釋。"而你可藉由預載（preloading）擁有單一電子的量子點辦到這件事。這種方式，在捕獲一個電子--電洞對之後，這裡就會有二個電子，由於 Pauli 不相容原理，必定會有相對的自旋。這表示電子總會找到一個能夠發光的重結合路徑。"

這種新型單光子源讓我們朝一個實用的裝置更進一步，此領域的進展十分神速。如同 Strauf 所注意到的，在 5 年之前要花上 8 個小時才能從一個半導體記錄到一個「正統的」單光子特徵。將較之下，現在只要毫秒的時間尺度就能記錄一個單光子特徵，而且單光子源持續改善的機會很高。最終，單光子產生率將受限於量子點受激態的壽命 -- 大約 0.1 到 1 奈秒，那約在 1 到 10 GHz 的範圍內。然而，這種速率仍未見過。

除了達到高產生率之外，量子應用也需要其他改善。目前，UCSB 的單光子源在 950 奈米的波長下運作，並且是在一個低溫的環境下，不過實用的量子加密將需要電信等級的波長，並在室溫下運作。然而，研究者希望單光子源有朝一日能為許多有趣的應用提供這種技術。

※ 相關報導：

＊ High-frequency single-photon source with polarization control
http://www.nature.com/nphoton/journal/v1/n12/abs/nphoton.2007.227.html

Stefan Strauf, Nick G. Stoltz, Matthew T. Rakher,
Larry A. Coldren, Pierre M. Petroff & Dirk Bouwmeester
Nature Photonics 1, 704 - 708 (2007)
Published online: 18 November 2007
doi:10.1038/nphoton.2007.227