一種基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源及遠程量子通訊系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及量子信息技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源及遠程量子通訊。
【背景技術(shù)】
[0002]糾纏光源在量子信息中有廣泛而重要的應用，如量子隱態(tài)傳輸、量子密碼和分布式量子計算，等等。傳統(tǒng)產(chǎn)生糾纏光子對主要是通過參量光下轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)的，這種方法獲得的糾纏光源是概率性的，效率低，并且有可能產(chǎn)生多余光子對，從而降低量子計算以及通訊的可靠性與安全性。利用半導體量子點的雙激子自發(fā)輻射過程可以產(chǎn)生確定性的糾纏光子對，因而比參量光下轉(zhuǎn)換方法有根本性的優(yōu)勢。
[0003]圖1所示為基于量子點的糾纏光源的原理圖。其中H和V分別為光子的兩個偏振方向，Afss(FSS:精細結(jié)構(gòu)劈裂，fine structure splitting)為激子的精細結(jié)構(gòu)劈裂。在此過程中，如果單激子的能級是簡并的，那么它會通過兩條不同的不可區(qū)分的路徑煙滅，這個過程必定產(chǎn)生最大糾纏的量子光子對。
[0004]現(xiàn)在技術(shù)碰到的主要問題有如下幾個。第一，量子點的單激子能級不是簡并的，而是有一個很大的劈裂。這個劈裂一般有幾十微電子伏特，遠遠大于光子的均勻展寬。這意味著雙激子的煙滅路徑是可以區(qū)分的，因此不會有糾纏光子對的產(chǎn)生。第二個困難為，即便是利用外力獲得了最大糾纏態(tài)，也無法實現(xiàn)遠程通訊，因為不同量子點的發(fā)光波長是不同的，所以很難實現(xiàn)量子點之間的耦合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源及遠程量子通訊系統(tǒng)。
[0007]( 二)技術(shù)方案
[0008]本發(fā)明提出一種基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源，包括一個量子點層，所述量子點層中包括量子點，在量子點層的上方和下方分別具有一個上壓電層和下壓電層，下壓電層可以在水平面的兩個方向上給量子點層施加應力，上壓電層可以在垂直水平面的方向上給量子點層施加應力。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，所述兩個方向分別對應量子點的[100]和[110]方向。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，所述量子點是InAS/GaAs量子點或者InAs/InP量子點。
[0011]本發(fā)明還提出一種遠程量子通訊系統(tǒng)，包括上述基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的【具體實施方式】，通過偏振分光鏡將兩個量子點糾纏光源級聯(lián)糾纏。
[0013](三)有益效果
[0014]本發(fā)明可以保證在量子點的激子能量和精細結(jié)構(gòu)劈裂的調(diào)節(jié)過程中量子點的精細結(jié)構(gòu)劈裂一直近似為O，因此不會破壞所獲得光子的糾纏度，由此保證量子通訊與量子計算的安全性與準確性
[0015]本發(fā)明通過獨立調(diào)節(jié)不同量子點的精細結(jié)構(gòu)和波長，可以實現(xiàn)不同量子點的耦合，所實現(xiàn)的量子點糾纏光源可以滿足遠程量子通訊的要求。
【附圖說明】
[0016]圖1為量子點糾纏光源的原理圖；
[0017]圖2A顯示了量子點級聯(lián)糾纏光源的示意圖；
[0018]圖2B是本發(fā)明基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2C顯示了本發(fā)明基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源的工作狀態(tài)圖；
[0020]圖2D顯不了在外加電場下量子點樣品的應變行為
[0021]圖3A顯示了本發(fā)明的一個實施例的基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源的InAs/GaAs量子點的結(jié)構(gòu)；
[0022]圖3B顯示了本發(fā)明的一個實施例中量子點精細結(jié)構(gòu)劈裂隨量子點所受應力的變化
[0023]圖4A和圖4B顯示了量子點發(fā)光能量和精細結(jié)構(gòu)在外加垂直方向上應力的變化。
【具體實施方式】
[0024]本發(fā)明提出的量子點糾纏光源通過不同的外力調(diào)節(jié)量子點的精細結(jié)構(gòu)劈裂以及發(fā)光波長，從而實現(xiàn)不同量子點的耦合。具體來說，其包括一個量子點層，量子點層中包括量子點，在量子點層的上方和下方分別具有一個上壓電層和下壓電層，下壓電層可以在水平面的兩個方向上給量子點層施加應力，該兩個方向分別對應量子點的[100]和[110]方向，上壓電層可以在垂直水平面的方向上施加應力。
[0025]—般情況下，量子點糾纏光源的發(fā)光波長不是固定的，不同的量子點發(fā)光波長是不同的。量子點的精細結(jié)構(gòu)對水平面內(nèi)的應力敏感，而對垂直方向上的應力不敏感；反之，激子能量對垂直方向上的應力敏感，對水平面內(nèi)應力不敏感。因此，本發(fā)明的所述量子點層的量子點可通過所述應力實現(xiàn)精細結(jié)構(gòu)和波長的獨立調(diào)節(jié)。
[0026]圖2A顯示了量子點級聯(lián)糾纏光源的示意圖?？梢酝ㄟ^偏振分光鏡(PBS)將兩個量子點糾纏光源級聯(lián)糾纏。圖中QD指的是量子點，Ap-A4是量子點所發(fā)光子的波長。因此，通過本發(fā)明的量子點糾纏光源可實現(xiàn)遠程光纖通信系統(tǒng)。
[0027]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0028]圖2B是本發(fā)明基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，該光源包括一個量子點層1、位于量子點層下方的下壓電層2和位于量子點層上方的上壓電層3。所述量子點層I包括量子點(圖中的黑點)，可以用InAS/GaAs量子點或者InAs/InP量子點實現(xiàn)。其中這些量子點可以是純的量子點，也可以是合金量子點?！揪唧w實施方式】將取決于具體所采用的波長范圍。對于通訊波段，可以采用InAs/InP量子點。
[0029]根據(jù)本發(fā)明，所述下壓電層2可以在水平面的兩個方向上給量子點層I施加應力，該兩個方向分別對應量子點的[100]和[110]方向，上壓電層3可以在垂直水平面的方向上給量子點層I施加應力。這樣，通過三個獨立源的控制，本發(fā)明的量子點的精細結(jié)構(gòu)劈裂和波長可以由外力(包括應力和電場)獨立調(diào)節(jié)。
[0030]圖2C顯示了本發(fā)明基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源的工作狀態(tài)圖，該圖中的結(jié)構(gòu)與圖2B中相同，但為了顯示方便，未畫出圖2B中的上壓電層3。如圖2C所示，通過在壓電陶瓷兩個方向上加外電壓(場)，可以調(diào)節(jié)水平面內(nèi)兩個方向上的應力。
[0031]圖2D顯示了在外加電場下量子點樣品的應變行為。如圖2D所示，外加z方向上的電壓(Vz)，可以對量子點產(chǎn)生[100]方向上的應力，外加y方向上的電壓(Vy)，可以對量子點產(chǎn)生[110]方向上的應力。圖中的P[001]表示垂直方向的壓力。
[0032]圖3A顯示了本發(fā)明的一個實施例的基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源的InAs/GaAs量子點的結(jié)構(gòu)，如圖3A所示，InAs量子點生長在GaAs蓋層中。量子點可通過激子發(fā)光。
[0033]圖3B顯示了上述實施例中量子點精細結(jié)構(gòu)劈裂隨量子點所受應力的變化。如圖3B所示，通過同時外加[100](或[010])方向的應力，可以將量子點精細結(jié)構(gòu)劈裂調(diào)節(jié)到接近于零。
[0034]通過單獨調(diào)節(jié)不同量子點的發(fā)光波長實現(xiàn)不同量子點的能量匹配，從而實現(xiàn)它們之間的糾纏。在這個獨立調(diào)節(jié)過程中，量子點的精細結(jié)構(gòu)劈裂可以保證小于均勻自然展寬，從而保證在調(diào)節(jié)過程中不會破壞量子點糾纏光源的糾纏度。
[0035]圖4A和圖4B顯示了量子點發(fā)光能量和精細結(jié)構(gòu)在外加垂直方向上應力的變化。如圖4A所示，量子點發(fā)光能量在很大范圍隨外加應力線性變化。如圖4B所示，在外加垂直方向應力時，精細結(jié)構(gòu)變化很小。
[0036]如果引入三個獨立應力，那么量子點的發(fā)光波長可以調(diào)節(jié)約20meV，而在整過區(qū)間，量子點的精細結(jié)構(gòu)劈裂可以保持小于譜線的自然展寬。這個結(jié)果表明，在調(diào)節(jié)量子點的發(fā)光波長的同時，糾纏光子對的糾纏度不會被破壞。
[0037]綜上所述，量子點的發(fā)光波長和精細結(jié)構(gòu)劈裂可以由三個應力獨立調(diào)節(jié)，從而可以實現(xiàn)不同量子點的耦合，以及實現(xiàn)遠程量子通訊。
[0038]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源，包括一個量子點層，所述量子點層中包括量子點，在量子點層的上方和下方分別具有一個上壓電層和下壓電層，下壓電層可以在水平面的兩個方向上給量子點層施加應力，上壓電層可以在垂直水平面的方向上給量子點層施加應力。2.如權(quán)利要求1所述的基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源，其特征在于，所述兩個方向分別對應量子點的[100]和[110]方向。3.如權(quán)利要求1所述的基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源，其特征在于，所述量子點是InAS/GaAs量子點或者InAs/InP量子點。4.一種遠程量子通訊系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1至3中任意一項的基于量子點的可級聯(lián)糾纏光源。5.如權(quán)利要求4所述的遠程量子通訊系統(tǒng)，通過偏振分光鏡將兩個量子點糾纏光源級聯(lián)糾纏。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自組織量子點的可級聯(lián)的糾纏光源。這種光源的量子點的精細結(jié)構(gòu)劈裂和波長可以獨立調(diào)節(jié)，因此可以用來實現(xiàn)量子點之間的耦合，從而實現(xiàn)可級聯(lián)的糾纏光源。這種糾纏光源可以用于遠程量子信息以及相關(guān)的量子通訊中。
【IPC分類】H01L33/06
【公開號】CN105070803
【申請?zhí)枴緾N201510552098
【發(fā)明人】何力新, 王建平, 龔明, 郭光燦
【申請人】中國科學技術(shù)大學
【公開日】2015年11月18日
【申請日】2015年9月1日