文摘
单光子以及polarization-correlated光子对排放从单个半导体量子点。单光子和单纠缠对代几乎不相关的多光子发射和媒体转换的可行性之间的量子态光子极化和电子自旋量子信息应用程序的基本功能。媒体相互转换的角动量光子极化和电子自旋之间也通过带正电的激子态实现高保真没有外部磁场。这是一个清楚地表明,光子偏振耦合和电子自旋光子发射前整个过程中保持安全。metal-embedded结构表现出的可能性急剧增强的观察激发发光和/或收集效率以及明确antibunching从量子点产生的光子。
1。介绍
为了制备量子器件的单个量子粒子在设备操作中扮演着重要的角色,一个模指导原则要求描述单个量子粒子的运动。朝着这个方向,一个字段的量子信息科学已经在最近几年取得了很大的进步1]。在量子信息科学、信息编码在二能级量子态称为量子比特(量子位)基于单个量子粒子,通过适当的控制和操作进行的量子位。充分利用量子力学的一些独特的性质,如叠加和幺正变换,这些量子操作量子设备预计将显示表演古典的设备。例如,都绝对安全通信和量子密钥分发(QKD)和量子计算速度远远快于经典计算机本质上欠的量子性质(2]。
由于光子是最快的量子对象以光速旅行和健壮的环境波动,单个光子的产生从根本上是重要的量子信息传输。他们通常被称为光子量子比特,随需应变的一代又一代的单光子和纠缠光子对所需高度实现量子信息沟通(3,4]。到目前为止,微弱的激光源曾QKD实验与光纤系统(5,6在自由空间中,也7- - - - - -9]。然而,固有的相干激光源本质上导致随机光子数量由Poissonian统计数据。这产生了不可避免的多个光子的概率生成和不可控随机光子的时机的一代。
单光子生成采用光学转换是可能的两级系统。许多候选人被研究到目前为止,如单个原子(10,11)、单分子(12在钻石[],NV中心13),黄金纳米束(14),碳纳米管(15)和半导体量子点(量子点)16- - - - - -25]。在这些系统中,半导体量子点被认为是最有前途的候选人从实现的角度实际单光子二极管源(26]。为此仍有几个重要的问题需要解决,如排放峰值的控制和减少不相关的背景光子发射,以及消除精细结构分裂(FSS)激子态的27),电梯的简并保留对量子叠加状态很重要。
在这篇文章中,单瓣QD-based单光子纠缠对一代和媒体相互转换进行了综述和讨论。演示实验的单光子生成以及polarization-correlated光子从量子点半导体将两代。从光子角动量转移媒体电子媒体,反之亦然未来量子信息处理是至关重要的。沿着这条线,强烈保留自旋态的photo-excited激子由光学声子与带正电荷还演示了激子(揣恩)状态。因此,区分高度的圆偏振0.85是在缺乏外部磁场的情况下,收益率高保真媒体转换。金属腔的可能性是朝这个方向。
2。实验
两类QD样本,InAlAs和量子点在调查。在0.75艾尔0.25量子点作为样本被种植在半绝缘性(001)通过分子束外延砷化镓衬底。量子点的准备在Stranski-Krastanow (sk)增长模式0.3遗传算法0.7层和夹了0.3遗传算法0.7层。最上面的表面用砷化镓保护层终止。增长后,样品被蚀刻到台面结构的直径150纳米的孤立单一的QD点合奏的密度点/厘米2。量子点在样本嵌入金属铌也捏造增强光子提取效率。样品制备和以下的细节处理方法给出其他地方(28]。单QD的光学特性进行了与实验设置如图1。锁模钛:蓝宝石在波长730纳米的激光脉冲宽度80 fs和脉冲重复频率82 MHz是用于脉冲荷载和连续波(CW) Ti:蓝宝石激光用于连续波励磁。物镜的数值孔径(NA)的0.42聚焦激光束的台面结构和收集发光发出台面。收集发光是由一个0.64米的分散三单色仪,介绍了液氮冷却Si电荷耦合装置探测器。直线的PL偏振分析(H, V)和/或循环(,)基地的一半或四分之一波长的盘子,在哪里()表示圆偏振的螺旋性()。整个系统分辨率为4.5电动汽车在4 K-22 K进行的测量。评价一个光子统计从单个QD发射光子,光子相关测量进行了与Hanbury-Brown Twiss (HBT)设置29日与汽车)——和阐述配置为了测试单光子和关联光子对的一代,分别。
3所示。代的单光子和关联光子对
在单一QD光谱学,几个发射谱线观察如图2。中立的激子(;778.143海里),中性双激子(;780.272海里),带正电的激子(;778.068 nm)和带负电荷的激子(;781.553 nm)是主导过渡线。上面的线的分配是由一系列测量等,激发能量依赖性,polarization-selective PL测量。有人指出选择性人口到特定的发射状态是可能的选择激发功率和/或能量图的插图所示2。这也是一个重要的特性来实现event-ready光子发射。
的确认单光子发射/脉冲激励,在脉冲作用进行了自相关测量线。励磁电源将满足条件的平均初始激子号码,由此产生的相关函数如图3。观察到的高峰期12.2 ns对应82 MHz的激励脉冲重复。光子光子统计数据可以计算二阶相关函数,在那里是一个两条路径之间的延迟时间。强烈抑制巧合项被观察到,这表明与高度抑制多光子发射光子的一代。
当两个激子(双激子)和反向旋转QD填充,两个光子发射通过级联,预计每单激发事件。实验,证实了这种级联过程互相关测量(启动、停止)=(下,)配置。图4显示的结果互相关测量。自相关图形成鲜明对比3、清晰的光子聚束行为展出。这是一个明确的双光子态的表现一代,,和光子激发后发射顺序只是激光脉冲。此外,偏振相关性和光子观察(图中未显示),这表明,激子自旋反转时间长于激子一生(30.]。的和金融监督院的调查显示30电动汽车。这是比均匀增宽的5电动车估计外差式四波混频(31日]。大FSS导致快速的演化状态向量作为讨论(32从重建的状态),这阻碍了我们作为一个纠缠态在一系列的测量(33]。金融监督院源于结构各向异性晶体QD crystal-axis-dependent引发的自然增长速度在半导体表面,这倾向于自旋简并的通过电子空穴能级交换相互作用[27]。最近,然而,一代的纠缠光子对已经意识到通过优化增长或热处理条件(34- - - - - -36和光子产生的职位选择37]。
4所示。转换光子偏振状态和激子的自旋状态
为实际的单光子源特别是QKD系统,定义良好的输出偏振光子远比后来的编码过程。自揣恩是一个half-spin系统,其基态退化是由于克雷默定理在缺乏磁场(38,39),揣恩夫妇圆极化光子担保选择规则(40,41]。因此,揣恩QD相当有前途的高保真光子状态转换器,其自旋状态形成的圆偏振激发相干态将理想情况下转移到光子数与入射偏振状态被保存下来如图5。如图6(一)选择性的人口intra-dot励磁线是可能的。图6 (b)显示的polarization-selective PL光谱与循环基础排放测量激发。在这里,激发能调到艾娜longitudinal-optical (LO)声子能量(30.5兆电子伏)以上转换能量。这是显示有显著的区别与cocircular PL强度检测(,)和cross-circular (,)配置。结果圆偏振度(DCP)定义为()/ (),)表示的PL强度测量()极化,相当于0.85没有外部磁场(42,43]。结果富达(/ ()]1/2就高达0.96。(忠诚两个概率分布之间的输入和输出光子极化,和,分别地。,is defined as,在那里表示检测概率偏振光子通过测量输入(输出)。在目前的情况下,持有)。
(一)
(b)
为了阐明自旋反转photo-excitation后整个过程速率方程分析。在这个模型中,量子点与残余孔状态以角动量投影被认为是描绘在图吗7。优惠的虚拟激励一对自旋向下的电子和向上洞激发能量LO-phonon之上国家处理,光频声子辅助谐振吸收在单个QD。双重退化州具有角动量投影。然后,给出相应的速率方程 在哪里找到的概率是系统在单一洞州,(揣恩)的概率是发现()状态下自旋()未成对的电子,分别是激发速率,的辐射复合寿命揣恩,之间的自旋反转时间吗揣恩基态()是自旋反转(保护)概率在能源放松下激励,满足。通过求解速率方程的稳态条件,DCP表示为 的关系和获得再现实验观察DCP和主要观点源自这一分析是双重的:第一点的比例吗/应大于11。因为辐射的生命周期国家测量是1.0 ns (30.),这表明自旋反转时间超过11 ns。它指出,所得的比率/大于中性激子的3.6测量在同一QD报道(30.]。这是部分原因是交流互动揣恩不工作,从而有效磁场淬火(44]。速率方程分析的第二点是,自旋反转概率的允许范围在能源放松是很低。插入的无穷/比例(4.2)给的最大自旋反转概率0.075测量DCP的0.85。因此,自旋反转概率光学phonon-resonant激是由0 - 0.075的范围内。的自旋状态创建与LO phonon-assisted共振激发显示高度稳定。
形成鲜明对比参数,比例是固有的自旋反转机制在揣恩基态能量后放松。在稳态圆偏振激发下,核磁场可以诱导自旋极化电子(45),它可能会修改比率。事实上,塞曼分裂7电动汽车被观察到的王激发下发射谱线,对应的磁场T g因子的估计(46]。为了研究动态核极化的影响(DNP) [28,47)观察到的高自旋稳定没有外部磁场,DCP的偏振调制测量是执行和结果如图所示8。在这个实验中,替代圆偏振激发进行了使用一台电光调制器和调制频率顺序被。为了推导出DCP替代圆偏振激发下,不对称负载比,也就是说,责任的比例()测量PL强度(),()检测。合成圆偏振度在当前不对称励磁责任比率被定义为。因此,DCP图8对应于。随着调制频率的增加,DCP开始减少3千赫,然后达到几乎恒定值高于20 kHz。这种行为是受扫描方向的影响。高于20 kHz DNP再也不能按照调制,DCP仍有高达0.5。这表明DNP只观察到高DCP子公司的贡献。
实用的单光子发射,抑制多光子发射光子和提高萃取效率是强烈要求降低比特误码率,提高传输距离(48]。为此,我们尝试嵌入台面结构包含一个在QD金属向上指导光子传播高耦合物镜。这里我们选择了铌(Nb)的未来实现superconductor-based QD发光二极管(49]。首先,砷化镓支柱结构包括量子点在里面用电子束光刻和干蚀刻制作的。扫描电子显微镜(SEM)图像的结构如图as-etched光秃秃的支柱9(一个)。然后支柱结构嵌入与Nb样本粘贴真空镀膜设备和支柱支撑衬底与铟。柱子和熔敷金属层都被转移到支持基质去除样品的砷化镓衬底支柱。的扫描电镜图像嵌入支柱结构观察图9 (b)与结构的示意图(插图)。两个样品,初步描述连续波激励下进行。通过孤立单一QD急剧转变的能量发射谱线1.34电动汽车在20 K。的支柱直径依赖PL整体强度的平方根是研究正常和嵌入式支柱结构和结果比较图10。嵌入式支柱显示斜率的增加6.4倍,这表明两度提高光子的萃取效率包括励磁效率(50]。光子二阶相关函数测量结果显示在图吗11。采用这种测量,LO-phonon共振激发,因为quasiresonant地面激子激发是有利的观点抑制多光子发射在连续状态激发(51,52]。本底计数率大约150的信号。发现在零延时的相关函数(0)低见0.04没有背景减法和反褶积与我们的系统响应函数。这表明metal-embedded支柱结构是很有前途的强烈抑制多光子的发射,并实现高度纯单光子发射。
(一)
(b)
5。总结
我们演示了单光子以及polarization-correlated光子对排放采用单个半导体量子点。概率的多光子发射是有限的1/25的泊松光。高保真相互媒体转换角动量光子极化和电子自旋之间实现通过带正电荷激子态没有外部磁场。新开发的金属微腔保持高耦合效率之间的相互作用和转换光子和电子自旋,这是非常可取的量子信息应用程序。光子量子比特的生成和转换基于固态自旋量子比特,反之亦然单量子点等州还在发育阶段,但显示稳定进展实际量子信息的应用程序。
确认
作者要感谢博士h . z的歌,s . Hirose和m . Takatsu样品制备。作者也感谢Muto足立教授和富有成果的讨论。这部分工作是支持科学研究补助金(一)(),没有。21246048,青年科学家(A),不。2168102009,和北海道创新通过纳米技术支持(暗示)从教育部,文化,体育,科学和技术。