Zdroj jednoho fotonu s kvantovými tečkami - Quantum dot single-photon source

Zdroj jednoho fotonu s kvantovými tečkami je založen na jedné kvantové tečce umístěné v optické dutině . Jedná se o jednofotonový zdroj na vyžádání. Laserový puls může v kvantové tečce rozrušit dvojici nosičů známých jako exciton . Rozpad jediného excitonu v důsledku spontánní emise vede k emisi jednoho fotonu. Díky interakcím mezi excitony je emise, když kvantová tečka obsahuje jeden exciton, energeticky odlišná od emise, když kvantová tečka obsahuje více než jeden exciton. Proto může být jeden exciton deterministicky vytvořen laserovým pulsem a kvantová tečka se stává neklasickým zdrojem světla, který vysílá fotony jeden po druhém a ukazuje tak fotonové antibunchování . Emise jednotlivých fotonů může být prokázána měřením korelační funkce intenzity druhého řádu . Rychlost spontánní emise emitovaných fotonů lze zlepšit integrací kvantové tečky do optické dutiny . Dutina navíc vede k emisím v dobře definovaném optickém režimu, což zvyšuje účinnost zdroje fotonů.

Dějiny

S rostoucím zájmem o kvantovou informační vědu od počátku 21. století rostl výzkum různých druhů jednofotonových zdrojů. Rané zdroje s jedním fotonem, jako například ohlašované zdroje fotonů, které byly poprvé hlášeny v roce 1985, jsou založeny na nedeterministických procesech. Zdroje jednofotonových kvantových teček jsou na vyžádání. Jednofotonový zdroj založený na kvantové tečce ve struktuře mikrodisku byl popsán v roce 2000. Zdroje byly následně vloženy do různých struktur, jako jsou fotonické krystaly nebo mikropiláry. Přidání DBR umožnilo emise v přesně definovaném směru a zvýšenou účinnost emisí. Většina zdrojů jednoho fotonu s kvantovými tečkami musí pracovat při kryogenních teplotách , což je stále technická výzva. Další výzvou je realizace vysoce kvalitních kvantových teček jednofotonových zdrojů na vlnové délce telekomunikací pro vláknovou telekomunikační aplikaci. První zpráva o Purcellem vylepšené jednofotonové emisi kvantové tečky o vlnové délce telecomu v dvojrozměrné dutině fotonických krystalů s faktorem kvality 2 000 ukazuje vylepšení rychlosti emise a intenzity o pět a šestkrát.

Teorie realizace jednofotonového zdroje

Obrázek 1: Schematická struktura optické mikrodutiny s jedinou kvantovou tečkou umístěnou mezi dvěma vrstvami DBR. Tato struktura funguje jako jediný zdroj fotonů.

Budením elektronu v polovodiči z valenčního pásma do vodivého pásma vzniká excitovaný stav, takzvaný exciton . Spontánní radiační rozpad tohoto excitonu má za následek emisi fotonu. Protože má kvantová tečka diskrétní energetické hladiny, lze dosáhnout toho, že v kvantové tečce není nikdy více než jeden exciton současně. Kvantová tečka je tedy emitorem jednotlivých fotonů. Klíčovou výzvou při vytváření dobrého zdroje s jedním fotonem je zajistit efektivní shromažďování emisí z kvantové tečky. K tomu je kvantová tečka umístěna v optické dutině . Dutina může například sestávat ze dvou DBR v mikropilíři (obr. 1). Dutina zvyšuje spontánní emise v přesně definovaném optickém režimu ( Purcellův efekt ), což usnadňuje efektivní vedení emise do optického vlákna. Kromě toho snížená životnost excitonu (viz obr. 2) snižuje význam rozšíření šířky čáry v důsledku šumu. ${\ Displaystyle \ Delta t}$

Obrázek 2: Rozpad rozšířeného excitovaného stavu šířky čáry vede k emisi fotonu frekvence ħω. Rozšíření šířky čáry je výsledkem konečné životnosti excitovaného stavu.

Systém pak lze aproximovat pomocí modelu Jaynes-Cummings . V tomto modelu kvantová tečka interaguje pouze s jedním jediným režimem optické dutiny. Frekvence optického režimu je dobře definována. To činí fotony nerozeznatelné, pokud je jejich polarizace zarovnána polarizátorem . Řešení Jaynes-Cummings Hamiltonian je vakuová Rabiho oscilace . Vakuová Rabiho oscilace fotonu interagujícího s excitonem je známá jako exciton-polariton .

Aby se vyloučila pravděpodobnost současné emise dvou fotonů, musí být zajištěno, že v dutině může být současně pouze jeden exciton. Diskrétní energetické stavy v kvantové tečce umožňují pouze jedno buzení. Rydbergova blokáda navíc brání excitaci dvou excitonů ve stejném prostoru ... Elektromagnetická interakce s již existujícím excitonem mění energii pro mírné vytvoření dalšího excitonu ve stejném prostoru. Pokud je energie laseru pumpy naladěna na rezonanci, druhý exciton nelze vytvořit. Přesto existuje malá pravděpodobnost dvou excitací v kvantové tečce současně. Dva excitony uzavřené v malém objemu se nazývají biexcitony . Vzájemně na sebe působí a mírně tak mění svoji energii. Fotony vzniklé rozpadem biexcitonů mají jinou energii než fotony vznikající rozpadem excitonů. Lze je odfiltrovat tak, že odcházející paprsek projde optickým filtrem . Kvantové tečky mohou být buzeny elektricky i opticky. Pro optické čerpání lze pro buzení kvantových bodů použít pulzní laser . Aby byla nejvyšší pravděpodobnost vytvoření excitonu, je laser pumpy naladěn na rezonanci. To se podobá -pulse na Blochově sféře . Takto však mají emitované fotony stejnou frekvenci jako laser pumpy. K jejich rozlišení je zapotřebí polarizátor. Jelikož směr polarizace fotonů z dutiny je náhodný, polovina emitovaných fotonů je tímto filtrem zablokována. ${\ displaystyle \ pi}$

Experimentální realizace

Existuje několik způsobů, jak realizovat systém kvantové tečky s dutinami, který může fungovat jako zdroj jednoho fotonu. Typickými dutinovými strukturami jsou mikropilíře, dutiny fotonických krystalů nebo laditelné mikrodutiny. Uvnitř dutiny lze použít různé druhy kvantových teček. Nejpoužívanějším typem jsou samostatně sestavené kvantové tečky InAs pěstované v režimu růstu Stranski-Krastanov , ale byly použity jiné materiály a růstové metody, jako je lokální kapkové leptání. Níže je uveden seznam různých experimentálních realizací:

Mikropiláry: V tomto přístupu jsou kvantové tečky pěstovány mezi dvěma distribuovanými Braggovými reflektory (zrcadla DBR). DBR jsou typicky oba pěstovány epitaxií molekulárního paprsku (MBE). U zrcadel se pěstují dva materiály s různými indexy lomu ve střídavém pořadí. Jejich parametry mřížky by se měly shodovat, aby se zabránilo namáhání. Možnou kombinací je kombinace vrstev arzenidu hliníku a arsenidu galia . Po prvním DBR se materiál s menší mezerou v pásmu použije k růstu kvantové tečky nad první DBR. Druhou vrstvu DBR lze nyní pěstovat na vrstvě s kvantovými tečkami. Průměr pilíře je široký jen několik mikronů. Aby se zabránilo opuštění optického režimu z dutiny, musí mikropilár působit jako vlnovod. Polovodiče mají obvykle relativně vysoké indexy lomu kolem n≅3. Proto je jejich extrakční kužel malý. Na hladkém povrchu mikropilár funguje jako téměř dokonalý vlnovod. Ztráty se však zvyšují s drsností stěn a zmenšujícím se průměrem mikropilíře. Okraje tedy musí být co nejhladší, aby se minimalizovaly ztráty. Toho lze dosáhnout strukturováním vzorku pomocí litografie elektronovým paprskem a zpracováním pilířů pomocí reaktivního iontového leptání .

Laditelné mikro-dutiny hostující kvantové tečky mohou být také použity jako zdroj jednoho fotonu. Liší se ve srovnání s mikropilíři, pouze jedna DBR je pěstována pod kvantovými tečkami. Druhá část dutiny je zakřivené horní zrcadlo, které je fyzicky odděleno od polovodiče . Horní zrcátko lze pohybovat s ohledem na polohu kvantových bodů, což umožňuje doladění spojování kvantových teček v dutině podle potřeby. Další výhodou oproti mikro pilířům je, že nábojové prostředí kvantových teček lze stabilizovat pomocí diodových struktur. Nevýhodou systému s mikro dutinami je, že k vyladění dutiny vyžaduje další mechanické součásti, což zvyšuje celkovou velikost systému.

Mikročočky a pevná imerzní čočka : Ke zvýšení jasu zdroje jednoho fotonu s kvantovými tečkami byly použity také mikročočkové struktury. Cílem je snížit ztráty způsobené celkovým vnitřním odrazem podobným tomu, čeho lze dosáhnout u pevných imerzních čoček.

Dalšími zdroji s jedním fotonem jsou vlnovody nanobeam nebo fotonické krystaly, které obsahují kvantové tečky. Pro takové struktury nejsou potřeba žádné DBR, ale mohou být použity ke zlepšení účinnosti odpojování. Oproti mikropilárům má tato architektura tu výhodu, že je možné směrování fotonů na čip. Na druhé straně jsou velikosti struktury mnohem menší, což vyžaduje pokročilejší nanotechnologické techniky. Blízká blízkost kvantových teček k povrchu je další výzvou.

Ověření emise jednotlivých fotonů

Zdroje s jedním fotonem vykazují antibunching . Vzhledem k tomu, že jsou fotony emitovány jeden po druhém, je pravděpodobnost vidění dvou fotonů současně pro ideální zdroj 0. K ověření antibunchování světelného zdroje lze měřit funkci autokorelace . Zdroj fotonů je odpojen, pokud ≤ . Pro ideální jediným zdrojem fotonů, . Experimentálně se měří pomocí efektu Hanbury Brown a Twiss . Pomocí rezonančních excitačních schémat jsou experimentální hodnoty obvykle v režimu jen několika procent. Hodnoty byly dosaženy bez rezonančního buzení. ${\ Displaystyle g^{(2)} (\ tau)}$ ${\ displaystyle g^{(2)} (0)}$ ${\ Displaystyle g^{(2)} (\ tau)}$ ${\ Displaystyle g^{(2)} (0) = 0}$ ${\ Displaystyle g^{(2)} (\ tau)}$ ${\ displaystyle g^{(2)} (0)}$ ${\ Displaystyle g^{(2)} (0) = 7,5 \ krát 10^{-5}}$

Nerozlišitelnost emitovaných fotonů

Pro aplikace musí být fotony emitované jediným zdrojem fotonů nerozlišitelné . Teoretické řešení Jaynes-Cummings Hamiltonian je dobře definovaný režim, ve kterém je náhodná pouze polarizace. Po zarovnání polarizace fotonů lze změřit jejich nerozeznatelnost. K tomu slouží efekt Hong-Ou-Mandel . Dva fotony zdroje jsou připraveny tak, že vstupují do děliče paprsků 50:50 současně ze dvou různých vstupních kanálů. Na oba výstupy rozdělovače paprsků je umístěn detektor . Měří se náhody mezi těmito dvěma detektory. Pokud jsou fotony nerozeznatelné, neměly by nastat žádné náhody. Experimentálně je nalezena téměř dokonalá nerozeznatelnost.

Aplikace

Jednofotonové zdroje mají v kvantové komunikační vědě velký význam. Lze je použít pro skutečně generátory náhodných čísel. Jednotlivé fotony vstupující do rozdělovače paprsků vykazují inherentní kvantovou neurčitost . Náhodná čísla jsou široce používána v simulacích pomocí metody Monte Carlo .

Zdroje s jedním fotonem jsou navíc zásadní v kvantové kryptografii . Schéma BB84 je prokazatelné bezpečné distribuční schéma kvantového klíče . Pracuje se světelným zdrojem, který dokonale emituje pouze jeden foton najednou. Vzhledem k teorému bez klonování nemůže dojít k odposlechu, aniž by si toho někdo všiml. Použití kvantové náhodnosti při psaní klíče zabraňuje jakýmkoli vzorům v klíči, které lze použít k dešifrování kódu.

Kromě toho lze k testování některých základních vlastností kvantové teorie pole použít zdroje jednotlivých fotonů .

Languages

In other projects