外延量子點及其在光量子信息中的應用

摘 要： 通過分子束外延制備而成的III-V 族半導體量子點具有發光快、亮度高、單光子純度好、不可區分度強等特點，是構建包括單光子源、糾纏光子源等在內的確定性量子光源的理想載體。量子點是嵌于半導體中的納米結構，其納米尺度加之半導體特性使其能夠利用現今成熟的微納工藝完成微納光子學結構的制備加工，實現量子點在量子光子學應用的多種功能。量子點還可束縛單個電子或空穴形成固態量子比特，固態量子比特可短暫存儲飛行的光子比特所攜帶的量子信息，形成量子網絡中的節點。量子點因此可以作為量子光源與光量子器件在光量子信息應用中發揮重要作用。隨著量子點技術的飛速發展，突破性的成果不斷涌現，該文聚焦量子點領域的發展前沿，從量子點的生長、測試技術出發，討論基于量子點的量子光源、自旋比特的基本技術方法，突出強調近期實現的重要突破，結合量子計算、量子網絡的發展要求展望量子點在光量子信息應用中的前景與挑戰。

關鍵詞： 量子點; III-V 族半導體; 量子光源; 光量子信息; 自旋比特

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）12–0050–10

0 引 言

自組裝量子點（下稱量子點）是由兩種具有直接帶隙的III-V 族半導體材料構成的異質結構[1-4]。其中，帶隙較窄的半導體材料尺寸很小，其三個維度分布在幾納米至幾十納米區間。同時，帶隙較窄的半導體被嵌入在帶隙較寬的半導體（基底）中，由于納米尺度效應會形成三維的量子束縛，產生類似原子的分立能級。自組裝量子點因此又被稱為“人造原子”。量子點是性能優異的量子光源：與真正的原子相比，量子點擁有遠大于原子的偶極矩，因此在給定的時間內，量子點可以比原子發射更多的光子，具有更高的亮度。與其他固態的量子發射器相比，量子點同時具有高內量子效率、高單光子純度和高光子相干度等難以比擬的優勢。量子點光源已被應用于量子糾纏分發[5]、玻色采樣[6]、光量子計算[7] 等量子信息功能的演示，擁有光明的實用前景。

此外，量子點直接嵌在半導體基底中，與原子相比省去了復雜的冷卻和捕獲技術；借助成熟的半導體微納加工工藝可以在基底上實現多種微納光子學結構[1]，提升量子點光子收集效率，豐富量子點在納米光子學中的應用[3]。量子點還可以束縛單個自旋形成固態比特[8-9]，實現固態比特與光子比特的信息交互。借由自身的核自旋系綜，量子點可以被裝配上量子存儲功能[10]，有望在未來量子網絡中起到量子節點的關鍵作用[11]。

本文將就量子點在光量子信息器件應用方面展開評述，從量子點的制備方法入手，結合領域最新進展介紹量子點光源的工作原理與測試方法，展示量子點自旋態的測量與操控手段，聚焦量子點在量子通信、光量子計算領域的應用前景，討論量子點發展面臨的機遇與挑戰。