中山大学光电材料与技术国家重点实验室, 广州 510275
Ⅲ-Ⅴ化合物半导体外延单量子点具有类原子的分立能级结构, 能够按需产生单光子和纠缠多光子态, 而且可以直接与成熟的集成光子技术结合, 因此被认为是制备高品质固态量子光源、构建可扩展性量子网络最有潜力的固态量子体系之一。本综述的重点是介绍高品质单量子点的分子束外延生长及精确调控的方法。首先介绍了晶圆级均匀单量子点的分子束外延生长, 并探讨了调控浸润层态和量子点对称性的生长方法; 接下来概述了利用应变层调控量子点发射波长的方法, 总结了几种常见的电调控单个量子点器件的设计原理; 最后讨论了最近为实现优异量子点光源而开发的液滴外延生长技术。
单量子点 分子束外延 生长调控 S-K模式 液滴刻蚀 单光子源 纠缠光源 single quantum dot molecular beam epitaxy growth modulation S-K mode droplet etching single photon source entangled light source
1 中国科学技术大学, 合肥微尺度物质科学国家研究中心&物理学院, 合肥 230026
2 中国科学技术大学, 上海量子科学研究中心&中国科学院量子信息与量子物理创新研究院, 上海 201315
3 中国科学技术大学, 合肥国家实验室, 合肥 230088
量子光源是量子通信和光量子计算的基础模块。光子的单光子性保证了通信的无条件安全, 光子的高不可分辨性保证了计算方案的复杂度。在各类固态材料候选体系中, 基于半导体量子点体系的单光子源和纠缠光子源保持着量子光源品质的最高纪录, 展现了巨大的潜力。分子束外延是目前最适合制备固态半导体量子点的生长方法, 超高真空、超纯材料、原位监测和生长过程中参数的高度可控等特点使其优势明显。为了实现同时具备高效率、高单光子纯度、高不可分辨性和高纠缠保真度的量子光源, 量子点的材料生长、外部调控、钝化技术和测量技术等都需要系统优化提升。本文将综述基于分子束外延生长实现固态量子点体系量子光源的基础材料与器件的研究进展, 讨论两种常见量子点的制备原理以及外延生长中各类参数对量子点品质的影响, 包括背景真空、源料纯度、衬底温度、生长速率和束流比等。本文随后简介了外部调控、表面钝化、测量技术等手段优化量子光源器件性能的技术细节和实验进展, 最后对量子光源在基础科学研究和量子网络构建中取得的进展进行总结, 并对其实际应用与发展前景进行展望。
确定性固态量子光源 分子束外延 半导体量子点 单光子源 纠缠光子源 量子信息技术 deterministic solid-state quantum light source molecular beam epitaxy semiconductor quantum dot single photon source entangled photon source quantum information technology
1 西安邮电大学网络空间安全学院, 陕西 西安 710121
2 桂林电子科技大学广西密码学与信息安全重点实验室, 广西 桂林 541004
考虑到当光子传输速率过高时, 量子密钥分配协议在实际应用中会受到探测器死时间的影响, 因此对基于标记单光子源协议的安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系进行了探究。首先, 在考虑和不考虑探测器死时间这两种情况下, 探究了安全密钥生成速率和探测器死时间之间的关系。结果表明: 当光子传输速率过高时, 探测器死时间的存在的确会影响安全密钥生成速率。进一步分析了不同探测器死时间下安全密钥速率的生成情况。结果表明: 探测器死时间的取值越大, 得到的安全密钥生成速率就越低, 安全密钥生成速率的极限值和探测器死时间 τ 之间的关系为 4.2/τ。
量子光学 量子密钥分配 测量设备无关 标记单光子源 探测器死时间 quantum optics quantum key distribution measurement-device-independent heralded single photon source detector’s dead time
为了探究参考系无关量子密钥分发 (RFI-QKD) 协议下不同光源应对光源强度波动的能力差异, 提出了一种在非完美光源下参考系无关协议密钥率的理论分析计算方案。考虑常见的量子通信系统参数, 通过计算机仿真模拟分析对比了量子密钥分发中常用且易于获得的弱相干源 (WCS) 与可预报单光子源 (HSPS)以及可预测相干光源 (HPCS) 在强度波动下的具体表现。结果表明: 强度波动分析方案在参考系无关协议下具有可实现性, 相比常用弱相干源, 可预报单光子源和可预测相干光源在相同条件下具有更好的性能以及抵御强度波动缺陷的能力, 其中可预测相干光源具有最佳密钥率和最大传输距离。
量子光学 量子密钥分发 参考系无关 诱骗态 可预报单光子源 可预测相干光源 quantum optics quantum key distribution reference-frame-independence decoy state heralded single-photon sources heralded pair-coherent source
海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉 430033
基于预报单光子源,提出了一种相位匹配被动诱骗态量子密钥分配方案。在此方案中,通信双方仅需各产生单个强度的信号。根据通信双方本地探测器的响应情况,第三方的探测结果被分为四个集合,既起到信号态和诱骗态的作用,又共同参与参数估计和密钥生成,降低了系统实现的难度并改善了方案性能。仿真结果表明:相位匹配被动诱骗态方案的最大安全传输距离可达到552 km,性能趋近于现有的相位匹配主动诱骗态方案,且无需主动产生诱骗态;在一定程度上克服了相位匹配主动诱骗态方案严重依赖探测器探测效率的缺陷,性能更为稳定;随着数据长度的下降,方案的传输性能有所下降,但数据长度即使下降至10 7,方案的最大安全传输距离依然可以达到507 km。
量子光学 量子密钥分配 预报单光子源 相位匹配协议 被动诱骗态
1 宁波财经学院，浙江 宁波 315175
2 浙江大学 光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
3 宁波大学 高等技术研究院，浙江 宁波 315211
多年来，硅和锗一直被认为是合适制造探测器和集成光电器件的半导体材料。然而，与金刚石基器件相比，这种四价半导体的抗辐射损伤能力较差，而且在恶劣条件或高强光辐照下，器件的稳定性较差。近年来，金刚石因其优异的光学与力学性能，在集成光子学、传感和量子光学等领域展现了巨大的应用前景。利用激光诱导金刚石微纳结构为开发金刚石上的三维光互联器件、全碳探测器、石墨电阻以及单光子源的实现提供了一种有潜力的制备方法。阐述了飞秒激光诱导金刚石色心形成、石墨化和折射率变化的物理机制，在此基础上，进一步探究了飞秒激光诱导金刚石微纳结构在单光子源、传感器和光波导等方面的应用，并对未来发展趋势进行了展望。
飞秒激光 色心 单光子源 金刚石 传感器 波导 femtosecond laser color center single-photon source diamond sensor waveguide 红外与激光工程
2020, 49(12): 20201057
1 安徽省航空结构件成形制造与装备实验室, 安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学工业与装备技术研究院, 安徽 合肥 230009
3 科大国盾量子技术股份有限公司, 安徽 合肥 230088
鉴于当前雪崩光电二极管(APD)测试平台存在设备冗杂、测试效率低等问题, 设计了一套以现场可编程门阵列(FPGA)为控制核心,搭配高精度时间数字转换芯片TDC-GPX的APD性能测试系统,可实 现APD性能参数的自动化测试。同时设计了一种稳定单光子脉冲信号输出方法,并提出了使用时间数字转换进行光子计数及数 据处理、后脉冲参数计算的设计方案。通过实验验证,测试系统集成光源信号半峰全宽为46.6 ps, 峰值幅度为304.4 mV, 幅值抖动为3.7%, 满足APD测试对输入单光子源的要求。该测试系统能够有效测试APD性能参数,测试效率得到了 极大提升。
光电子学 性能测试系统 时间数字转换器 光子计数 单光子源 雪崩光电二极管 optoelectronics performance test system time-to-digital converter photon counting single photon source avalanche photodiode
1 西安邮电大学网络空间安全学院, 陕西 西安 710121
2 西安邮电大学无线网络安全技术国家工程实验室, 陕西 西安 710121
3 西安邮电大学通信与信息工程学院, 陕西 西安 710121
针对基于指示单光子源的测量设备无关量子密钥分配协议存在基的依赖性问题和信源统计波动问题,研究了基于服从泊松分布的指示单光子源和轨道角动量的量子密钥分配协议,并进行了统计波动分析。分析了对称信道和非对称信道下,该协议的单边传输效率、密钥生成速率与安全传输距离的关系,模拟了信源的统计波动对该协议密钥生成速率和传输距离的影响。仿真结果表明,应用轨道角动量编码解决了该协议基的依赖性问题,提高了密钥生成速率和安全传输距离。统计波动对该协议密钥生成速率的影响随着传输距离的增大而扩大,在脉冲数量相同时,非对称信道下的密钥生成速率、安全传输距离大于对称信道下的。
量子光学 量子密钥分配 测量设备无关 轨道角动量 指示单光子源 统计波动
1 中国科学院上海微系统与信息技术研究所, 上海 200050
2 中国科学院大学, 北京 100049
上海市青年科技启明星计划(No.19QA1410600),上海市优秀学术带头人计划(No. 19XD1404600),中科院计划(No.Y82BRA1001)
量子存储 自组装量子点 单光子源 量子调控 应力调节 Quantum memory Self-assembled quantum dots Single-photon sources Quantum manipulation Strain tuning
1 西安邮电大学无线网络安全技术国家工程实验室, 陕西 西安 710121
2 西安邮电大学通信与信息工程学院, 陕西 西安 710121
提出一种基于指示单光子源和量子存储的量子密钥分配方案。分析了其密钥生成率与安全传输距离和量子存储时间的关系,以及量子存储的退相干效应对最终密钥生成率的影响。研究了量子存储对基于指示单光子源的测量设备无关量子密钥分配方案的影响。仿真结果表明,在指示单光子源下,量子存储的实际相干时间增加,使得系统的安全传输距离增大,且量子退相干效应对最终的密钥生成率的影响微弱。
量子光学 量子密钥分配 测量设备无关 指示单光子源 量子存储
