可於室溫操作的量子點單光子源問世

2020-12-04 OFweek光電新聞網

　　日本研究人員發現氮化鎵(GaN)量子點(quantum dot, QD)可在室溫下發出單一光子。此發現證明這些具有寬能隙的三族氮化物半導體能作為室溫單光子源，該結構非常適合應用於未來量子信息處理器中的晶片通訊(on-chip communication)。

　　能在室溫下操作的單光子發射器可以使用於晶片量子通訊中，並能提供量子計算所需的量子位(qbit)。III族氮化物所製作的量子點很適合用來製作這類組件，原因是這類材料具有高溫及化學穩定性、能承受大電壓，而且發出的光子波長可從紫外光涵蓋至紅外光。然而，由於III族氮化物有樣品質量不佳的問題，在此之前一直未能以此材料開發出室溫單光子發射器。

　　最近 ，東京大學(University of Tokyo)的Yasuhiko Arakawaua團隊在無塵室中以區域選擇性金屬有機化學氣相沉積法(selective-area MOCVD)成功製作此氮化鎵量子點組件。他們在覆蓋了25 nm厚氮化鋁層的藍寶石基板上生長量子點。製程包含濺鍍25 nm厚的二氧化矽於基板表面上，並以電子束光刻技術和反應性離子刻蝕製作孔隙陣列，這些孔隙用來分別成長氮化鎵納米線及量子點。接著他們在納米線周圍成長AlxGa1–xN層以形成核殼型結構，在其上並成長GaN量子點，最後以AlGaN層覆蓋結構。透過此方法，研究人員能控制量子點在基板上的位置，藉由脈衝雷射激發量子點並探測其所發出的光。

　　理論上，單光子量子發射器在每一脈衝雷射激發下應產生單一光子。為了驗證組件性質，他們將量子點所射出的光導入兩路徑中，並以兩組探測器進行時間測量，證實他們的GaN納米線量子點的確為單光子源。更重要的是，在室溫下依舊能觀察到此單光子源性質。研究人員相信這是因為GaN量子點位置能精準控制的原因。

　　單光子發射器一般被認為非常適合使用於量子密碼學(quantum cryptography)，不過該團隊認為他們的組件更適合量子信息處理器的晶片通訊之用。他們目前正計劃測量組件的操作速度，並試圖改以注入電流的方式使其運作，而非以雷射激發。

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