基于單光子相互作用的量子邏輯門是組成光量子計算機(jī)的基本單元，邏輯門規(guī)模的可擴(kuò)展性(scalability)是實現(xiàn)光量子計算機(jī)的關(guān)鍵�！翱蓴U(kuò)展性”這一要求，對單光子的利用效率設(shè)置了極高的閾值：根據(jù)量子計算機(jī)架構(gòu)的不同，閾值效率（扣除系統(tǒng)所有損耗，包括探測損耗）為50%或66%。這要求單光子輻射必須要以近乎完美地耦合到單一光場模式中，例如高斯基模，以獲得高效使用。針對這一難題，華中科大物理學(xué)院陳學(xué)文教授與德國馬普光學(xué)研究所S. Götzinger教授合作提出一種光學(xué)天線結(jié)構(gòu)，用于將固態(tài)單量子系統(tǒng)的單光子輻射導(dǎo)引到高斯基模中，效率可望達(dá)到95%，為滿足“可擴(kuò)展性”的要求提供了一種可行的途徑。相關(guān)研究成果近日以《Truncated Metallo-Dielectric Omnidirectional Reflector: Collecting Single Photons in the Fundamental Gaussian Mode with 95% Efficiency》為題發(fā)表于國際納米光子學(xué)著名期刊ACS Photonics上。 6 0C;J!D  
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該工作是基于光子晶體禁帶和缺陷波導(dǎo)模式的原理抑制輻射體的大角度輻射、增強(qiáng)其與缺陷波導(dǎo)模式(defect guided mode)耦合從而達(dá)到小角度輻射的效果。該結(jié)構(gòu)與各種材料系統(tǒng)和操作條件兼容，具有帶寬很寬、對制造缺陷不敏感和與各種固態(tài)輻射體兼容等性質(zhì)。并且此概念可以被應(yīng)用于可以制造的各種結(jié)構(gòu)和各種光源（如：膠體量子點，氮空位中心和自組裝InGaAs量子點）。為了降低了實驗上制作的難度，團(tuán)隊成員基于第二禁帶，尤其是針對自組裝半導(dǎo)體量子點進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化與實驗方案設(shè)計。他們的設(shè)計是實現(xiàn)單光子源的藍(lán)圖，該單光子源能夠每秒向單模光纖中傳輸超過一億個光子。器件有望用于各種光量子計算機(jī)體系，例如玻色子采樣器或具有空前數(shù)量光子的簇態(tài)量子計算機(jī)。此外，量子輻射體的單向高斯模式發(fā)射為單量子系統(tǒng)間的完美相互作用打開了大門，輻射和吸收在空間上可以完美匹配。我院2018級博生李莞聰和德國馬普所Luis Morales-Inostroza博士為共同第一作者，陳學(xué)文教授和Stephan Götzinger教授為共同通訊作者。 O<}^`4d  

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單光子是量子保密通信、光量子計算、量子精密測量以及其他新興量子技術(shù)的核心載體。孤立的單個量子系統(tǒng)，由于激發(fā)、輻射這一過程需要一定的時間，因此是天然的單光子輻射源。特別是鑲嵌在固體基質(zhì)中的類原子輻射體，例如自組裝量子點、金剛石色心、有機(jī)單分子等，由于輻射源周圍的固體材料可以通過微納加工形成新穎光學(xué)結(jié)構(gòu)，從而其輻射性質(zhì)可被較自由地調(diào)控，因此固態(tài)單光子源獲得了人們的極大關(guān)注。近年來高收集效率、可控性好的固態(tài)單光子源在國內(nèi)外已有不少報道。然而，僅僅有高收集效率還是不夠，單光子需要能被自由地傳送，對許多量子技術(shù)的應(yīng)用而言，需要將單光子高效率地發(fā)射到特定的光場空間模式中，其中最有用的模式就是高斯基模。因為高斯基�？梢耘c單模光纖基模匹配，從而高效地耦合到光纖中，這樣可被遠(yuǎn)距離傳送而且可使各個單光子間的空間模式完全一樣，提高邏輯門效率。事實上，將單光子輻射耦合到高斯基模，并不只是出于便于傳輸?shù)目紤]，而更是出自于它的必要性，長距離的量子通訊和量子糾纏比特的生成就是兩個典型的例子。 W40GW  
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