光量子網(wǎng)絡(luò)近年來在量子信息處理和傳輸領(lǐng)域中得到了廣泛的關(guān)注。光子作為飛行量子比特，具有相干時(shí)間長、傳播距離遠(yuǎn)、易于操縱和檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可以通過連接靜態(tài)比特（如量子點(diǎn)）實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)-光子接口，從而構(gòu)建可擴(kuò)展的量子網(wǎng)絡(luò)。為了實(shí)現(xiàn)有效的光與物質(zhì)相互作用，需要增強(qiáng)光子與量子發(fā)射器的耦合。而手性量子光學(xué)則為這種強(qiáng)耦合的實(shí)現(xiàn)提供了一種新穎的思路。在微納結(jié)構(gòu)中，基于偏振偶極躍遷的量子點(diǎn)發(fā)射器可以實(shí)現(xiàn)與束縛光場(chǎng)單向性耦合，利用這種手性效應(yīng)可以抑制發(fā)射光子的隨機(jī)性，從而實(shí)現(xiàn)單光子級(jí)別的手性光與物質(zhì)的強(qiáng)耦合。目前，在光纖、波導(dǎo)、金屬界面等體系中已經(jīng)有了一些微納尺度的手性量子光學(xué)器件。然而這些器件的功能較為簡單，集成度較低，無法滿足光量子網(wǎng)絡(luò)的集成度要求。因此為了實(shí)現(xiàn)高度集成的光量子網(wǎng)絡(luò)，亟需進(jìn)一步提升手性光子器件的功能性和復(fù)雜性。

圖1.納米梁波導(dǎo)中的手性。(a)嵌入InGaAs量子點(diǎn)的GaAs納米梁波導(dǎo)示意圖。(b) 波導(dǎo)橫截面上電場(chǎng)分布。(c)耦合效率和手性對(duì)比度隨偶極子位置的變化。(d)施加-7T到7T的磁場(chǎng)，從左右兩側(cè)光柵耦合器分別收集到的量子點(diǎn)的圓極化熒光光譜。

最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理實(shí)驗(yàn)室L02組的博士生肖姍、許秀來研究員和L03組的金奎娟研究員與納米物理與器件實(shí)驗(yàn)室N09組的張建軍研究員、王霆副研究員等合作，在手性光子器件研究中取得重要進(jìn)展。他們前期在耦合單量子點(diǎn)的交叉波導(dǎo)中實(shí)現(xiàn)了位置依賴的手性耦合，使得交叉波導(dǎo)具有偏振確定的單向波導(dǎo)和分束器的雙重功能。相關(guān)研究成果發(fā)表在期刊Applied Physics Letters上，并被選為當(dāng)期的亮點(diǎn)工作（Featured Work），同時(shí)被美國物理學(xué)聯(lián)合會(huì)的Scilight進(jìn)行了專訪報(bào)道。近日，他們又設(shè)計(jì)并制備了用于實(shí)現(xiàn)確定性圓偏振光定向路由和分束功能的緊湊手性光子器件，集成了量子點(diǎn)作為量子光源，并觀測(cè)到了圓偏振光子的定向發(fā)射和分束，獲得的手性對(duì)比度高達(dá)0.84。相關(guān)成果近期發(fā)表在期刊Laser & Photonics Reviews上。

圖2.手性光子分束器件的設(shè)計(jì)。(a)手性光子器件示意圖。(b)嵌入波導(dǎo)手性點(diǎn)處的兩個(gè)不同圓極化偶極子激勵(lì)源激發(fā)的波導(dǎo)模場(chǎng)分布。(c)和(d)波導(dǎo)間距為30nm和50nm時(shí)，手性對(duì)比度隨偶極子位置的變化。

在納米光波導(dǎo)中，光場(chǎng)受到了強(qiáng)橫向束縛產(chǎn)生沿著傳播方向的縱向場(chǎng)分量，從而形成局部圓偏振的光場(chǎng)分布。由于光場(chǎng)的局部圓偏振態(tài)與光的傳播方向耦合形成的光子自旋-動(dòng)量鎖定效應(yīng)，自旋極化的量子發(fā)射器只能與其中一個(gè)傳播方向的光場(chǎng)偏振相匹配，形成光子的定向發(fā)射，從而實(shí)現(xiàn)確定性的自旋-光子接口。通過電磁仿真對(duì)量子點(diǎn)與波導(dǎo)的耦合強(qiáng)度與嵌入位置的優(yōu)化，他們制備了多種含量子點(diǎn)的波導(dǎo)器件。圖1是單根納米梁波導(dǎo)中的手性傳輸器件及傳輸特性。利用空間選擇性微區(qū)熒光光譜的測(cè)量，成功地觀測(cè)到了量子點(diǎn)躍遷輻射的不同圓偏振光在波導(dǎo)內(nèi)向不同方向傳播。利用這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，他們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了手性光子分束器，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)橫向相鄰的GaAs納米梁波導(dǎo)和嵌入的自組裝InGaAs量子點(diǎn)構(gòu)成，其中手性路由來源于波導(dǎo)內(nèi)部固有的電磁場(chǎng)手性，而分束功能則是通過波導(dǎo)間的倏逝場(chǎng)耦合實(shí)現(xiàn)。在該器件中實(shí)現(xiàn)了確定性、高方向性圓偏振光子的定向發(fā)射和分束，手性對(duì)比度高達(dá)0.84，如圖3所示。通過改變量子點(diǎn)光源在波導(dǎo)中的位置，觀測(cè)到了手性傳輸方向的改變，實(shí)現(xiàn)了圓偏振光輸出通道的轉(zhuǎn)換調(diào)控，因此實(shí)現(xiàn)了量子發(fā)射器在微納結(jié)構(gòu)中的不同位置對(duì)手性光傳輸特性的調(diào)控。該手性光子器件的實(shí)現(xiàn)促進(jìn)了基于量子點(diǎn)非經(jīng)典光源的片上集成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于擴(kuò)展、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)自旋-路徑的信息編碼及可擴(kuò)展化的片上手性量子光學(xué)網(wǎng)絡(luò)具有重要的意義。

圖3. 不同手性光子電路中具有確定性自旋傳輸手性行為的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（a）和（b）左旋圓偏振光從左側(cè)兩個(gè)光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從右側(cè)兩個(gè)光柵耦合器輸出。（c）和（d）改變量子點(diǎn)的位置后，特定圓偏振光子從與上述相反方向的傳輸路徑輸出，即左旋圓偏振光從右側(cè)兩個(gè)光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從左側(cè)兩個(gè)光柵耦合器輸出。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號(hào)：62025507，11934019, 11721404,和11874419），廣東省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：2018B030329001），中科院B類先導(dǎo)專項(xiàng)（專項(xiàng)編號(hào)：XDB28000000），中科院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：YJKYYQ20180036）和中科院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)的支持。

相關(guān)鏈接：

1. https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202100009

2. https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0042480

3. https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0003795