光子的轨道角动量(Orbital Angular Momentum， OAM)能够形成一个无限维完备的Hilbert空间，是一种具有无限维度的独特物理自由度。在信息处理中，光子的轨道角动量可以大幅度增加经典和量子信息处理的容量。具有轨道角动量的单光子源是高维量子信息处理的关键器件。近日，中山大学王雪华、刘进教授研究团队提出、设计并制备出一种将单个量子点嵌入角向光栅微环谐振腔中的集成量子光源结构，实现了目前国际上最亮的芯片式触发轨道角动量单光子源。相关研究以“Bright solid-state sources for single photons with orbital angular momentum”为题于2021年01月11日在线发表在《Nature Nanotechnology》上(Bo Chen， et al.， Nature Nanotechnology， (2021). DOI： 10.1038/s41565-020-00827-7)。

　　创新研究

　　目前为止，产生携带轨道角动量的单光子都是由非线性过程概率性的产生，且效率很低，成为制约高维量子信息处理的主要瓶颈。为克服该挑战，中山大学王雪华、刘进教授研究团队提出将单个量子点嵌入角向光栅微环谐振腔中的微纳集成量子光源结构，使量子点与具有轨道角动量的微腔模式实现高效耦合，增强量子点的发光效率和角向光栅对单光子的向上散射。实验制备的关键在于是否能把量子点精确地位在微腔的最佳位置，他们通过前期研究“三高”量子纠缠光子源【Nature Nanotechnology， 14， 586 (2019)】所发展的定位精度达10纳米的荧光成像精确定位技术和微纳加工制备技术，实现了量子点在角向光栅微环谐振腔中的精确定位，在国际上制备出光源亮度达0.23(4)的最亮触发式轨道角动量单光子发射器件，如图1所示。

　　图1. 嵌入量子点的微环谐振腔产生携带OAM量子叠加态的单光子源示意图及样品实物图

　　该研究工作是首次在芯片上实现携带轨道角动量的单光子发射，为推进量子光源性能的按需调控和高维量子信息处理迈出了非常重要的一步。此外，该器件与半导体加工工艺兼容，具有器件尺寸小，可集成、可扩展的优势。

　　图文速览

　　携带OAMs的微环腔模特性

　　图2. 携带OAMs的微环腔模的特性。(a-b) 微环谐振腔的模拟辐射光谱(蓝线)及其对应的水平偏振远场模式。(c-d)对应(a-b)中模拟的器件的实验测试辐射光谱(红线)和远场模式

　　微环腔模和量子点的耦合

　　图3.微环腔对携带OAM的单光子Purcell增强特性。(a) 微环谐振腔的腔模及量子点随温度的变化情况。（b）量子点荧光在腔内和腔外时间分辨测试结果。（c）单光子纯度测试结果

　　单光子携带OAMs特性

　　图4.单光子携带OAM量子叠加态的近场和远场模式特性。（a）量子点谱线和腔模共振耦合（b-c）量子点和微环谐振腔共振时近场和远场模式的模拟和实验结果。（d-e）量子点和微环谐振腔共振时远场辐射的偏振特性

　　单光子携带OAMs模式的纯度

　　图5.单光子携带OAM量子叠加态的纯度特性。（a-b）单光子OAM量子叠加态投影在左旋圆偏振基矢的纯度模拟和实验结果。（c，e）单光子携带|l>=|-6>+|+6？的OAM量子叠加态投影在(d)空间相位l′= -6，-5，-4，6，7和8的强度分布模拟和实验结果

　　总结

　　该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省重点领域研发计划、广东省自然科学基金、广州市科技计划、中山大学高校基础科研业务等项目以及中山大学超算中心的大力支持。