研究人员以非常高的速度控制单个光量子

诸平

A focused laserbeam (left, blue) generates single photos by a single quantum dot inside the photonic waveguides (red), which are fabricated on top of crystalline gallium arsenide- (GaAs-) aluminium gallium arsenide (Al0.2Ga0.8As).Two interdigitating electrodes (interdigital transducers, IDT) generate nanoscale soundwaves (surface acoustic waves, SAWs), which dynamically strain the waveguides. The nanoscale soundwave generated by the left IDT switches the color of the emitted single photons. The two waveguides are coupled by two so-called multimode interference beamsplitters (MMIs). The soundwave generated by the right IDT sorts the single photons according to their colour (red and green) between the two outputs on the right.

据明斯特大学（Universität Münster）网站2022年11月21日报道，一个由来自西班牙瓦伦西亚大学（Universitat de València, Spain）、德国明斯特大学（Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Germany）、德国奥格斯堡大学（Universität Augsburg, Germany）、德国柏林莱布尼兹学院（Leibniz-Institut im Forschungsverbund Berlin e.V., Germany）、德国慕尼黑工业大学（Technische Universität München, Garching, Germany）以及德国慕尼黑量子科技中心（Munich Center for Quantum Science and Technology简称MCQST）的研究人员组成研究团队，成功地以极高的精度控制了单个光量子（Researchers control individual light quanta at very high speed）。相关研究结果于2022年11月16日已经在《自然通讯》（Nature Communications）杂志网站发表——Dominik D. Bühler, Matthias Weiß, Antonio Crespo-Poveda, Emeline D. S. Nysten, Jonathan J. Finley, Kai Müller, Paulo V. Santos, Mauricio M. de Lima Jr., Hubert J. Krenner. On-chip generation and dynamic piezo-optomechanical rotation of single photons. Nature Communications, Published: 16 November 2022, 13, Article number: 6998; DOI: 10.1038/s41467’022 -34372-9. https://www.nature.com/articles/s41467-022-34372-9

在此文中研究人员报告了他们如何通过声波以GHz频率在两个输出之间来回切换芯片上的单个光子。这种方法在此首次展示，现在可用于声量子技术或复杂的集成光子网络。

光波和声波构成了现代通信的技术支柱。虽然带有激光的玻璃纤维构成了万维网(World Wide Web)，但芯片上的纳米级声波以GHz频率处理信号，以便在智能手机、平板电脑或笔记本电脑之间进行无线传输。未来最紧迫的问题之一是如何将这些技术扩展到量子系统，以建立安全（即免窃听）的量子通信网络。

负责明斯特大学和奥格斯堡大学研究的物理学家休伯特·克雷纳（Hubert Krenner）教授说：“光量子（Light quanta）或光子（photons）在量子技术的发展中起着非常重要的作用。我们的团队现在已经成功地在拇指指甲大小的芯片上生成单个光子，然后以前所未有的精度控制它们，通过声波精确计时。”在瓦伦西亚大学进行研究并协调那里正在进行的工作的毛里西奥·德利马（Mauricio de Lima）博士补充说：“我们芯片的功能原理在传统激光方面为我们所知，但现在，使用光量子，我们已经成功实现人们期待已久的量子技术突破。”

在他们的研究中，研究人员制造了一种芯片，该芯片配备了用于光量子的微小“传导路径”——即所谓的波导（waveguides）。它们比人的头发细约 30 倍。此外，该芯片还包含量子光源，即所谓的量子点（quantum dots）。明斯特大学的马提亚斯·魏斯(Matthias Weiß)博士进行了光学实验并补充说：

“这些量子点只有几纳米大小，是波导内的岛屿，它们以单个光子的形式发射光。量子点包含在我们的芯片中，因此我们不必使用复杂的方法通过其他来源生成单个光子。” 作为瓦伦西亚大学博士学位的一部分，多米尼克·布勒（Dominik Bühler）博士设计了量子芯片，他指出了该技术的速度:“通过使用纳米级声波，我们能够在芯片上的光子在波导中传播时，以前所未有的速度在两个输出之间直接来回切换。”

研究人员认为他们的结果是混合量子技术道路上的一个里程碑，因为他们结合了3种不同的量子系统：量子点形式的量子光源、产生的光量子和声子（声波中的量子粒子）。这种混合量子芯片由瓦伦西亚大学设计，并使用慕尼黑工业大学生产的量子点在保罗德鲁德固态电子研究所（Paul Drude Institute of Solid-State Electronics）制造，超出了研究团队的预期。

国际团队在声量子技术方面又迈出了决定性的一步。毛里西奥·德利马博士展望未来说：“我们已经在竭尽全力增强我们的芯片，以便我们可以根据需要对光子的量子态进行编程，甚至可以在4个或更多输出之间控制具有不同颜色的多个光子。”休伯特·克雷纳教授补充说：“我们受益于我们的纳米级声波具有的独特优势：由于这些波在芯片表面几乎无损耗地传播，我们可以仅用一个单波就可以巧妙地控制几乎所有我们想要的波导波-并且达到极高的精确度。”

这项工作已经通过慕尼黑卓越纳米系统集群计划(Cluster of Excellence “Nanosystems Initiative Munich”)获得了欧盟地平线2020研究和创新计划{ European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No. 642688 (SAWtrain)}、德国研究基金会（Deutsche Forschungsgemeinschaft简称DFG，under Germany’s Excellence Strategy—EXC-2111—390814868）、德国联邦教育和研究部{ German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) via the funding program Photonics Research Germany (contract number 13N14846)}的资助。

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Abstract

Integrated photonic circuits are key components for photonic quantum technologies and for the implementation of chip-based quantum devices. Future applications demand flexible architectures to overcome common limitations of many current devices, for instance the lack of tuneabilty or built-in quantum light sources. Here, we report on a dynamically reconfigurable integrated photonic circuit comprising integrated quantum dots (QDs), a Mach-Zehnder interferometer (MZI) and surface acoustic wave (SAW) transducers directly fabricated on a monolithic semiconductor platform. We demonstrate on-chip single photon generation by the QD and its sub-nanosecond dynamic on-chip control. Two independently applied SAWs piezo-optomechanically rotate the single photon in the MZI or spectrally modulate the QD emission wavelength. In the MZI, SAWs imprint a time-dependent optical phase and modulate the qubit rotation to the output superposition state. This enables dynamic single photon routing with frequencies exceeding one gigahertz. Finally, the combination of the dynamic single photon control and spectral tuning of the QD realizes wavelength multiplexing of the input photon state and demultiplexing it at the output. Our approach is scalable to multi-component integrated quantum photonic circuits and is compatible with hybrid photonic architectures and other key components for instance photonic resonators or on-chip detectors.