光量子網(wǎng)絡近年來在量子信息處理和傳輸領(lǐng)域中得到了廣泛得。光子作為飛行量子比特，具有相干時間長、傳播距離遠、易于操縱和檢測等優(yōu)點，可以通過連接靜態(tài)比特（如量子點）實現(xiàn)量子點-光子接口，從而構(gòu)建可擴展得量子網(wǎng)絡。為了實現(xiàn)有效得光與物質(zhì)相互作用，需要增強光子與量子發(fā)射器得耦合。而手性量子光學則為這種強耦合得實現(xiàn)提供了一種新穎得思路。在微納結(jié)構(gòu)中，基于偏振偶極躍遷得量子點發(fā)射器可以實現(xiàn)與束縛光場單向性耦合，利用這種手性效應可以抑制發(fā)射光子得隨機性，從而實現(xiàn)單光子級別得手性光與物質(zhì)得強耦合。目前，在光纖、波導、金屬界面等體系中已經(jīng)有了一些微納尺度得手性量子光學器件。然而這些器件得功能較為簡單，集成度較低，無法滿足光量子網(wǎng)絡得集成度要求。因此為了實現(xiàn)高度集成得光量子網(wǎng)絡，亟需進一步提升手性光子器件得功能性和復雜性。
圖1.納米梁波導中得手性。(a)嵌入InGaAs量子點得GaAs納米梁波導示意圖。(b) 波導橫截面上電場分布。(c)耦合效率和手性對比度隨偶極子位置得變化。(d)施加-7T到7T得磁場，從左右兩側(cè)光柵耦合器分別收集到得量子點得圓極化熒光光譜。
蕞近，華夏科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理China研究中心光物理實驗室L02組得博士生肖姍、許秀來研究員和L03組得金奎娟研究員與納米物理與器件實驗室N09組得張建軍研究員、王霆副研究員等合作，在手性光子器件研究中取得重要進展。他們前期在耦合單量子點得交叉波導中實現(xiàn)了位置依賴得手性耦合，使得交叉波導具有偏振確定得單向波導和分束器得雙重功能。相關(guān)研究成果發(fā)表在期刊Applied Physics Letters上，并被選為當期得亮點工作（Featured Work），同時被美國物理學聯(lián)合會得Scilight進行了專訪報道。他們又設計并制備了用于實現(xiàn)確定性圓偏振光定向路由和分束功能得緊湊手性光子器件，集成了量子點作為量子光源，并觀測到了圓偏振光子得定向發(fā)射和分束，獲得得手性對比度高達0.84。相關(guān)成果近期發(fā)表在期刊Laser & Photonics Reviews上。
圖2.手性光子分束器件得設計。(a)手性光子器件示意圖。(b)嵌入波導手性點處得兩個不同圓極化偶極子激勵源激發(fā)得波導模場分布。(c)和(d)波導間距為30nm和50nm時，手性對比度隨偶極子位置得變化。
在納米光波導中，光場受到了強橫向束縛產(chǎn)生沿著傳播方向得縱向場分量，從而形成局部圓偏振得光場分布。由于光場得局部圓偏振態(tài)與光得傳播方向耦合形成得光子自旋-動量鎖定效應，自旋極化得量子發(fā)射器只能與其中一個傳播方向得光場偏振相匹配，形成光子得定向發(fā)射，從而實現(xiàn)確定性得自旋-光子接口。通過電磁仿真對量子點與波導得耦合強度與嵌入位置得優(yōu)化，他們制備了多種含量子點得波導器件。圖1是單根納米梁波導中得手性傳輸器件及傳輸特性。利用空間選擇性微區(qū)熒光光譜得測量，成功地觀測到了量子點躍遷輻射得不同圓偏振光在波導內(nèi)向不同方向傳播。利用這種波導結(jié)構(gòu)，他們進一步設計了手性光子分束器，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)由兩個橫向相鄰得GaAs納米梁波導和嵌入得自組裝InGaAs量子點構(gòu)成，其中手性路由于波導內(nèi)部固有得電磁場手性，而分束功能則是通過波導間得倏逝場耦合實現(xiàn)。在該器件中實現(xiàn)了確定性、高方向性圓偏振光子得定向發(fā)射和分束，手性對比度高達0.84，如圖3所示。通過改變量子點光源在波導中得位置，觀測到了手性傳輸方向得改變，實現(xiàn)了圓偏振光輸出通道得轉(zhuǎn)換調(diào)控，因此實現(xiàn)了量子發(fā)射器在微納結(jié)構(gòu)中得不同位置對手性光傳輸特性得調(diào)控。該手性光子器件得實現(xiàn)促進了基于量子點非經(jīng)典光源得片上集成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、易于擴展、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，對實現(xiàn)自旋-路徑得信息編碼及可擴展化得片上手性量子光學網(wǎng)絡具有重要得意義。
圖3. 不同手性光子電路中具有確定性自旋傳輸手性行為得實驗結(jié)果。（a）和（b）左旋圓偏振光從左側(cè)兩個光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從右側(cè)兩個光柵耦合器輸出。（c）和（d）改變量子點得位置后，特定圓偏振光子從與上述相反方向得傳輸路徑輸出，即左旋圓偏振光從右側(cè)兩個光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從左側(cè)兩個光柵耦合器輸出。
該工作得到了China自然科學基金（批準號：62025507，11934019, 11721404,和11874419），廣東省重點研發(fā)項目（批準號：2018B030329001），中科院B類先導專項（專項編號：XDB28000000），中科院科研儀器設備研制項目（項目編號：YJKYYQ20180036）和中科院創(chuàng)新交叉團隊得支持。
相關(guān)工作鏈接：
特別onlinelibrary.wiley/doi/full/10.1002/lpor.202100009
aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0042480
aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0003795
感謝：Eric、yrLewis
