CN114389148A - 基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统及方法，包括正啁啾脉冲产生装置和量子点样品，其中：所述正啁啾脉冲产生装置用于产生30ps的正啁啾脉冲；所述量子点样品放置在4.0‑5.0K低温恒温器中，所述30ps的正啁啾脉冲垂直投射到量子点的表面，量子点吸收到能量，实现布居反转，从基态变为激发态，产生单光子。本发明采用通过正啁啾脉冲产生装置产生30ps的正啁啾脉然后在垂直投射到恒温低温条件下的量子点样品，可精密控制每个脉冲包含两个以上光子的概率小于0.5％，实现高纯度高质量的等效单光子源制备。
Description
技术领域
本发明涉及量子信息与单光子技术领域，具体涉及基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统及方法。
背景技术
随着量子光学发展势头迅速且应用领域日益广泛，如今量子信息科学备受关注，应用领域包括安全通信、量子计算、量子仿真和量子计量等。而在量子计算与通信中，光子成为了一种被寄予厚望的资源，其独特的性质使之成为了量子位的杰出候选对象。为了推进量子信息科学领域的研究，一项关键的资源就是高效且可靠地产生单光子的光源。因为量子过程天生具有随机性，单光子有其独有的量子物理特性,它的应用主要是基于两个光子之间的纠缠,而影响光子之间的纠缠的主要是每个光子的单光子特性以及不同光子之间的不可区分度。
目前，单光子源的制备方法，包括激光衰减法，基于原子、晶体缺陷等特殊材料的单光子源制备方法，以及基于非线性技术的纠缠态光子源。但是通过这些方法制备的单光子源存在单光子产生效率不高，以及单光子的不可区分度较低，无法满足量子计算等领域的需求。
因此，需要对现有技术进行改进提出精度更好的基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统及方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，提出了一种精度高、小型化并保证系统安全的多路同步输出激光器光源系统。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，包括正啁啾脉冲产生装置和量子点样品，其中：
所述正啁啾脉冲产生装置用于产生30ps的正啁啾脉冲；
所述量子点样品放置在4.0-5.0K低温恒温器中，所述30ps的正啁啾脉冲垂直投射到量子点的表面，量子点吸收到能量，实现布居反转，从基态变为激发态，产生单光子。
优选地，所述正啁啾脉冲产生装置包括一对平行设置的第一光栅和第二光栅、极化分束器、半波片、四分之波片、第一反射镜、第二反射镜和望远镜系统；
所述极化分束器、半波片、四分之波片、第一反射镜按照前后顺序依次设置；
所述第一反射镜与所述第一光栅并行设置以保障所述第一反射镜反射的光线平行反射到第一光栅上；
所述望远镜系统设置在所述第一光栅和第二光栅之间，所述望远镜系统包括平行设置的第一平凸透镜和第二平凸透镜；
所述第二反射镜与第二光栅并行设置，用于接收第二光栅发射的光线并反射回第二光栅；
一束皮秒脉冲射入到极化分束器中进行分束，分束后的脉冲依次进入到半波片、四分之波片进行入射光的激化调节，增加光栅的衍射，然后再进入到第一反射镜反射到第一光栅上，第一光栅使皮秒脉冲发生色散后依次经过第一平凸透镜和第二平凸透镜后发射到第二光栅上，不断地调节第二个光栅的角度，使其与第一个光栅保持平行或对称条件，并保证第二反射镜的角度能使光沿着原路返回，返回平行光；
平行光沿第一光栅、第一反射镜，四分之一波片和半波片原路返回后回到极化分束器中产生30ps的正啁啾脉冲。
优选地，所述第一光栅和第二光栅的刻度线为1000-1200线/mm。
优选地，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜的焦距均为700-800mm。
优选地，返回的平行光的直径为2-4mm。
基于半导体量子点的等效单光子源的产生方法，应用了上述的基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，该方法包括以下步骤：
步骤1：利用基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统产生30ps的正啁啾脉冲；
步骤2：将产生的30ps的正啁啾脉冲通过凸透镜聚焦再偏振片过滤后，过滤后的光脉冲垂直投射到量子点样品的表面，量子点样品吸收能量，实现布居反转，从基态变为激发态，产生光子；
所述量子样品点满足：采用InGaAs/GaAs量子点样品，所述量子点样品嵌入在一个平面微腔中，微腔由分布式布拉格反射器组成；
所述分布式布拉格反射器包括上反射器和下反射器，所述上反射器有4对Al0.9Ga0.1As/GaAs 1/4λ层，下反射器有20对Al0.9Ga0.1As/GaAs 1/4λ层。
优选地，利用HBT干涉仪对产生的光子做二阶关联测量，在0延时处的符合计数为零；
通过用0延时处的总计数除以附近峰的平均总计数，得到多光子的产生概率为g2(0)＝0.003。
本发明有益的技术效果：本发明采用通过正啁啾脉冲产生装置产生30ps的正啁啾脉然后在垂直投射到恒温低温条件下的量子点样品，实现了高纯度高质量的等效单光子源制备。
附图说明
图1为本发明基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统的整体结构框图；
图2为本发明中量子点样品的结构示意图；
图3为本发明中双光子干涉实验的结果示意图。
附图中各部件对应的标号：
量子点样品1；极化分束器-2、半波片-3、四分之波片-4、第一光栅-51、第二光栅-52、第一平凸透镜-61、第二平凸透镜-62、第一反射镜-71、第二反射镜-72、凸透镜-8、偏振片-9、恒温器-10。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明要求保护的范围并不局限于下述具体实施例。
如图1所示，基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，包括正啁啾脉冲产生装置和量子点样品1，其中：
所述正啁啾脉冲产生装置用于产生30ps的正啁啾脉冲；
所述量子点样品1放置在4.0-5.0K低温恒温器10中，量子点样品1嵌入在一个平面微腔中，微腔由分布式布拉格反射器组成，上反射器有4对Al0.9Ga0.1As/GaAs 1/4λ层，下反射器有20对Al0.9Ga0.1As/GaAs 1/4λ层。
所述30ps的正啁啾脉冲垂直投射到量子点样品1的表面，量子点样品1吸收到能量，实现布居反转(布居反转指微观粒子(原子、分子等)采取某种措施而选择性地激发粒子,使处于较高能级的粒子数反而多于较低能级的粒粒子布居数的现象)，从基态变为激发态，产生单光子。
具体地，所述正啁啾脉冲产生装置的具体结构为：包括一对平行设置的第一光栅51和第二光栅52、极化分束器2、半波片3、四分之波片4、第一反射镜71、第二反射镜72和望远镜系统；
所述极化分束器2、半波片3、四分之波片4、第一反射镜71按照前后顺序依次设置；
所述第一反射镜71与所述第一光栅51并行设置以保障所述第一反射镜71反射的光线平行反射到第一光栅51上，所述第一光栅51和第二光栅52的刻度线为1000-1200线/mm，第一光栅51和第二光栅52平行放置，组成一个延展器。
所述望远镜系统设置在所述第一光栅51和第二光栅52之间，所述望远镜系统包括平行设置的第一平凸透镜61和第二平凸透镜62，具体地所述第一平凸透镜61和第二平凸透镜62的焦距均为700-800mm。
所述第二反射镜72与第二光栅52并行设置，用于接收第二光栅52发射的光线并反射回第二光栅52；
其中，光栅也称衍射光栅,是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱，指的是复色光分解为单色光的现象)的光学元件；四分一波片QWP和半波片HWP用来调节入射光的极化，以增加光栅的衍射(光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象)效率；平凸透镜有会聚作用故又称聚光透镜,较厚的凸透镜则有望远、发散或会聚等作用；反射镜是一种利用反射定律工作的光学元件，用于反射光线；分束器是可将一束光分成两束光或多束光的光学元件。
皮秒脉冲在正啁啾脉冲产生装置中的光线路径为：一束皮秒脉冲射入到极化分束器2中进行分束，分束后的脉冲依次进入到半波片2、四分之波片4进行入射光的激化调节，增加光栅的衍射，然后再进入到第一反射镜71反射到第一光栅51上，第一光栅51使皮秒脉冲发生色散后依次经过第一平凸透镜61和第二平凸透镜62后发射到第二光栅52上；接着不断地调节第二个光栅52的角度，使其与第一个光栅51保持平行或对称条件，并保证第二反射镜72的角度能使光沿着原路返回，返回平行光，返回的平行光的直径为2-4mm。平行光沿第一光栅、第一反射镜，四分之一波片和半波片原路返回后回到极化分束器中产生30ps的正啁啾脉冲。
参照图1-3，本实施例还提供了一种基于半导体量子点的等效单光子源的产生方法，应用了上述的基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，该方法包括以下步骤：
步骤1：利用基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统产生30ps的正啁啾脉冲；
步骤2：将产生的30ps的正啁啾脉依次通过凸透镜8聚焦、再通过偏振片9过滤(所述偏振片是一种光滤波器，其中光的透射率与其偏振状态直接相关。通常是某一方向的线偏振光可以通过，而偏振方向与其垂直的光则不能通过，会被吸收或者反射到其它的方向上)，过滤后的光脉冲垂直投射到量子点样品的表面，量子点样品吸收能量，实现布居反转，从基态变为激发态，产生单光子。
所述量子样品点采用InGaAs/GaAs量子点样品，所述量子点样品嵌入在一个平面微腔中，微腔由分布式布拉格反射器组成；所述分布式布拉格反射器包括上反射器和下反射器，所述上反射器有4对Al0.9Ga0.1As/GaAs 1/4λ层，下反射器有20对Al0.9Ga0.1As/GaAs 1/4λ层。
具体地，产生单光子以后需要进行进一步地确认以及验证，本实施例中，为了验证该方法产生的光子是否为单光子，利用HBT干涉仪对单个量子点在正啁啾脉冲激发下产生的单光子做二阶关联测量。
利用HBT干涉仪进行二阶关联测量在0延时处的测量得到的符合计数几乎为零，通过用0延时处的总计数(窗口3.2ns)除以附近峰的平均总计数，得到多光子的产生概率为g2(0)＝0.003。
多光子产生概率的计算公式(1)计算所得：
其中g2(τ)表示在t时刻和t+τ时刻个探测到一个光子的概率。此概率的作用是表明多光子产生的概率极低，在0延时处，g2(τ)只有0.003，证明本实验产生的光子基本都是单光子，满足单光源的条件。
进一步地，为了验证该方法产生的单光子的不可分辨性(指不可区分)，即不同时刻产生的单光子的等效性。将利用上述方法不同时间射出的两个单光子进行双光子干涉式样，两光子经过单色仪(带宽0.2nm)和FP标准具(带宽1GHz)滤除宽带的剩余激发光背景后进入M-Z干涉仪。
演示双光子干涉实验的结果如图3，该结果显示了获得两光子干涉的符合计数分布，红线和蓝线分别代表参与干涉的两个光子极化方向平行和正交的情形。结果如下：当两个光子极化平行的时候，0延时处的光子符合计数几乎为零，证明了光子发生了干涉。通过比较两种情况在0延时处3.2ns窗口内的总符合计数，获得原始的两光子干涉对比度为0.979。干涉度越高，表明俩光子的不可分辨性越高。考虑到单光子的不完美和干涉装置的一阶干涉对比度0.995，光子的不可分辨性接近于1，进一步证明本方法产生的光子确实是单光子。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对发明构成任何限制。
Claims (7)
1.基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，其特征在于，包括正啁啾脉冲产生装置和量子点样品，其中：
所述正啁啾脉冲产生装置用于产生30ps的正啁啾脉冲；
所述量子点样品放置在4.0-5.0K低温恒温器中，所述30ps的正啁啾脉冲垂直投射到量子点的表面，量子点吸收到能量，实现布居反转，从基态变为激发态，产生单光子。
2.如权利要求1所述的基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，其特征在于，所述正啁啾脉冲产生装置包括一对平行设置的第一光栅和第二光栅、极化分束器、半波片、四分之波片、第一反射镜、第二反射镜和望远镜系统；
所述极化分束器、半波片、四分之波片、第一反射镜按照前后顺序依次设置；
所述第一反射镜与所述第一光栅并行设置以保障所述第一反射镜反射的光线平行反射到第一光栅上；
所述望远镜系统设置在所述第一光栅和第二光栅之间，所述望远镜系统包括平行设置的第一平凸透镜和第二平凸透镜；
所述第二反射镜与第二光栅并行设置，用于接收第二光栅发射的光线并反射回第二光栅；
一束皮秒脉冲射入到极化分束器中进行分束，分束后的脉冲依次进入到半波片、四分之波片进行入射光的激化调节，增加光栅的衍射，然后再进入到第一反射镜反射到第一光栅上，第一光栅使皮秒脉冲发生色散后依次经过第一平凸透镜和第二平凸透镜后发射到第二光栅上，不断地调节第二个光栅的角度，使其与第一个光栅保持平行或对称条件，并保证第二反射镜的角度能使光沿着原路返回，返回平行光；
平行光沿第一光栅、第一反射镜，四分之一波片和半波片原路返回后回到极化分束器中产生30ps的正啁啾脉冲。
3.如权利要求2所述的基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，其特征在于，所述第一光栅和第二光栅的刻度线为1000-1200线/mm。
4.如权利要求2所述的基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，其特征在于，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜的焦距均为700-800mm。
5.如权利要求2所述的基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，其特征在于，返回的所述平行光的直径为2-4mm。
6.基于半导体量子点的等效单光子源的产生方法，应用了如权利要求1-5任一所述的基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：利用基于半导体量子点的等效单光子源的产生系统产生30ps的正啁啾脉冲；
步骤2：将产生的30ps的正啁啾脉冲通过凸透镜、再通过偏振片过滤，过滤后的光脉冲垂直投射到量子点样品的表面，量子点样品吸收能量，实现布居反转，从基态变为激发态，产生光子；
所述量子样品点采用InGaAs/GaAs量子点样品，所述量子点样品嵌入在一个平面微腔中，微腔由分布式布拉格反射器组成；
所述分布式布拉格反射器包括上反射器和下反射器，所述上反射器有4对Al0.9Ga0.1As/GaAs 1/4λ层，下反射器有20对Al0.9Ga0.1As/GaAs 1/4λ层。
7.如权利要求6所述的基于半导体量子点的等效单光子源的产生方法，其特征在于，利用HBT干涉仪对产生的光子做二阶关联测量，在0延时处的符合计数为零；
通过用0延时处的总计数除以附近峰的平均总计数，得到多光子的产生概率为g2(0)＝0.003。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220422 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |