2021年度中國半導體十大研究進展
——高亮度軌道角動量單光子固態量子光源

光子的軌道角動量（OAM，orbital angular momentum）能夠形成一個無限維完備的Hilbert 空間，是一種具有無限維度的獨特物理自由度。在信息處理中，光子的軌道角動量可以大幅度增加經典和量子信息處理的容量。具有軌道角動量的單光子源是高維量子信息處理的關鍵器件，此前的實現方案是非線性參量下轉換加螺旋相位片，其固有的概率性和低效率制約了大容量高維量子信息處理的發展。為突破這一瓶頸，中山大學王雪華、劉進教授研究團隊提出、設計并制備出一種基于GaAs半導體微環諧振腔的量子光源結構，實現了觸發式高亮度的軌道角動量單光子源。

將半導體單量子點嵌入角向光柵微環諧振腔中，可使量子點與具有軌道角動量的微腔模式實現高效耦合，增強量子點的發光效率，進一步利用角向光柵實現了對單光子進行向上散射。實驗制備的關鍵在于是否能把量子點精確地位在微腔的最佳位置，通過利用已發展的定位精度達10 nm 的熒光成像精確定位技術和微納加工制備技術，實現了量子點在角向光柵微環諧振腔中的精確定位，在國際上制備出光源亮度達0.23（4）的高亮度觸發式軌道角動量單光子發射器件，如圖1 所示。制備的光源亮度（每個脈沖的單光子產率）是以前方案在同樣純度下的7.9 倍【與Nat. Nanotechnol.12，1026 （2017）圖1b 比較】，是目前所報道的最亮軌道角動量單光子源。

圖1 高亮度觸發式軌道角動量單光子發射器件

該研究工作是首次在半導體芯片上實現攜帶軌道角動量的單光子發射，推動半導體片上量子光源性能的按需調控和高維量子信息處理邁出非常重要的一步。此外，該器件與半導體加工工藝兼容，具有器件尺寸小，可集成、可擴展的優勢，打破了大容量高維量子信息處理芯片缺乏高效可集成光源的困境，有望應用于芯片的高維量子通信、量子計算、量子存儲等領域，對于發展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技術具有重要意義。

相關研究以“Bright solid-state sources for single photons with orbital angular momentum”為題發表在《Nature Nanotechnology》（鏈接：https：//www.nature.com/articles/s41565-020-00827-7）。

◆團隊簡介◆

王雪華，教授，中山大學副校長。教育部長江學者獎勵計劃特聘教授，國家有突出貢獻政府特殊津貼獲得者。國家973 計劃（含重大科學研究計劃）等重大項目的首席科學家。長期從事納米光子學的理論和實驗研究，在克服制約微納光子高效的重大障礙（如散射、泄漏和吸收）以及高性能微納光電子器件及其集成芯片的實現原理和技術等方面做出了重要的學術貢獻。迄今已發表論文115篇，包括Nat.Nanotechnol.2篇、PRL7篇、Nat.Commun.2篇、Sci.Adv.1篇、Light：Sci.&Appl.2篇、Adv.Opt.Mater.3篇。

劉進，中山大學教授、博導。國家海外高層次青年人才、教育部長江學者獎勵計劃特聘教授。長期從事微納光學和量子光學的實驗研究工作，在固態量子光源與微納激光器以及高性能半導體微腔等領域進行科研攻關。迄今已發表論文50余篇，包括Nat.Nanotechnol.4篇，PRL2篇。研究成果曾入選2008年度中國光學重要進展、2019年中國高校十大科技進展和2019年度中國光學十大進展。任Science Bulletin等期刊的編委，擔任CELO（2018-2020）CLEP-PR的TPC Member和ACP 2020專題主席。