在光子量子网络中，量子比特（qubits）可以被编码为单个光子的偏振，并在网络的各个节点间进行传输。一个可扩展的纠缠光子源是构建光子量子网络的基石。至今，大多数基于纠缠的量子通信协议都是使用基于自发参量下转换（SPDC）过程的源来实现的。SPDC源能够产生具有高亮度和高保真度的纠缠光子，并提供了在不同自由度上利用纠缠的可能性。然而，SPDC源在本质上受到概率发射的限制，这不仅限制了其最大的操作速率，也阻碍了其在需要大量光子应用场景中的扩展性。

在共振激发下驱动的量子发射器则有潜力克服这些障碍。在目前可用的量子发射器中，基于半导体的量子点（Quantum Dots, QDs）因其卓越的性能，而被视为最有潜力的纠缠光子源之一。这些量子点能够按需产生具有高亮度、高不可区分性和高纠缠保真度的光子对。更进一步，它们的辐射特性可以通过调整生长参数和施加外部调控来控制，从而为实现高度可调的量子信息处理提供了可能。

2023年诺贝尔化学奖颁发给了量子点的发现者和开发者。量子点是一种极其微小的纳米粒子，其独特的尺寸决定了其多样的特性。这些纳米技术领域的微小奇迹，如今不仅能够从电视和LED灯中发出光芒，照亮我们的世界，还能够帮助外科医生精确切除肿瘤组织，为医疗领域带来了革命性的变革。

在过去几年中，量子隐形传态、纠缠交换、簇态生成以及基于纠缠的量子密钥分发等概念验证实验已经充分证明了量子点纠缠光子源的潜力。然而，这些技术在实际应用中仍处于起步阶段。主要的挑战在于，实际应用需要同时优化源的多种性能参数，尤其是需要具有高亮度和高纠缠度的光子对源，而这些解决方案往往彼此不兼容，目前还缺少能够同时达到这些性能要求的基于量子点器件。

前期人们尝试利用单片压电衬底，将应变调谐和圆形布拉格谐振器（CBR）腔相结合。这种衬底无法调控平面内应变的各向异性，因此不适用于生成高度纠缠的光子。将CBR和多轴应变调谐技术相结合，是实现高纠缠度应用（例如基于纠缠的量子密钥分发）的理想选择。然而，这项任务需要精确控制转移到嵌入CBR腔中的量子点的应变各向异性，在实现上极具挑战性。

近日，罗马大学Rinaldo Trotta教授的团队报告了一种新型量子光学器件。该器件首次将嵌入圆形布拉格谐振器CBR中的单个GaAs量子点与三轴应变的微机械压电致动器相结合。在实验上展示了按需发射纠缠光子对的能力，同时实现了高纠缠度（保真度高达96%）和高亮度（提取效率高达69%）。这项工作为实现量子通信的高级协议，特别是基于纠缠的量子密钥分发，铺平了道路。

这项突破性的成果已发表在eLight期刊上，题为"A source of entangled photons based on a cavity-enhanced and strain-tuned GaAs quantum dot"。

研究亮点

1. 纠缠光子源器件及其先进加工

该器件由一个直径~670 nm 圆盘组成，量子点位于其几何中心，周围环绕着圆形布拉格谐振器。谐振器由多个沟槽组成，其周期与二阶布拉格条件相匹配，以反射半导体内部沿平面内传播的光。谐振器下方放置了一个金属镜，使得向上辐射的光具有准高斯轮廓。圆形布拉格谐振器具有低品质因数（Q~100），在数十纳米波长范围内都有较高的提取效率。作者利用飞秒激光微加工技术，在300 µm厚的PMN-PT压电衬底上制备了六个不同的致动器，彼此呈60°角间隔排列。在对角的致动器上施加电压，可以控制三个独立的应变场。整个CBR腔体集成在PMN-PT压电衬底上，通过应变场调节量子点，进而制备具有可调波长的纠缠光子，如图1所示。

图1：压电衬底上加工圆形布拉格谐振腔步骤

2. 光学表征

量子光源最重要的特性之一是能够在给定的光谱窗口中每个激发脉冲仅发射单个光子。为了评估单光子纯度，作者进行了自相关测量，并估算了 τ = 0 时二阶相关函数 g⁽²⁾(τ) 的值，g⁽²⁾X(τ)=0.016(1)，g⁽²⁾XX(τ)=0.012，提取效率η_X = 0.67(3) 和η_XX= 0.69(4)。

不可区分性在所有需要两个光子干涉的应用中是至关重要的，例如量子隐形传态和纠缠交换，也是评估量子光源性能的另一个重要特性。为了评估发射光子的不可区分性，该团队利用 Hong-Ou-Mandel 效应测量双光子干涉可见性，测得不可区分性M_X= 0.71 and M_XX= 0.70。

图2：腔增强量子点的光学表征

3. 应变调节和纠缠恢复

为了实现发射光子具有最大纠缠保真度，需消除量子点的精细结构分裂。该团队通过调整施加到微机械压电致动器上的电压，恢复量子点的平面对称性，并消除了精细结构分裂。同时测量发射光子的纠缠，观察到具有较大Purcell增强的量子点可在相对较大的精细结构分裂下产生纠缠光子。此外，通过将激光脉冲弛豫减小至1.9 ps，减少了光子发射期间激光脉冲引起的 能级AC-Stark偏移，将纠缠保真度进一步提升到了0.96。

图3：通过量子点的应变调节的纠缠恢复

总结展望

在该工作所提的器件概念的基础上，进一步优化器件，进而替代 SPDC 源实现高速的密钥分发。比如，可以在量子点上施加电场，抵消电荷噪声相关的退相干，从而将纠缠度提高到极值。此外，电场还可以异质量子点的闪烁效应（blinking） ,进一步完善后器件还将使量子点可用于需要不可区分光子的其他量子通信应用，例如纠缠交换、量子中继器以及多节点量子网络。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1186/s43593-024-00072-8