電子科大博士生解決高密度量子芯片單片集成難題,室溫下實現(xiàn)單光子輻射穩(wěn)定性,或大幅提高量子集成系統(tǒng)信息加載能力
“一個有意思的發(fā)現(xiàn)是,對我來說睡一覺往往是解決科研問題的最好方式。如果采用四種以上方法都沒能解決,我就會到此打住,因為這說明按照今天的思維去思考,很有可能是錯的。反而睡醒起來后,大腦仿佛得到重啟,總能提供完全不一樣的思路?!边@是電子科大博士生吳錯獨特的“科研竅門”。
他叫吳錯,生于 1994 年,四川綿陽人。本科畢業(yè)于電子科技大學,后被保送到該?;A與前沿研究院王志明教授團隊讀博,期間接觸到物理光學并產(chǎn)生了濃厚興趣,后接受南丹麥大學納米光學中心和電子科大的聯(lián)培。此前曾獲國家獎學金、國家公派獎學金、以及四川省優(yōu)秀畢業(yè)生等獎勵和榮譽。
1 月 12 日,他的最新一作論文以《室溫片上軌道角動量單光子源》(Room-temperature on-chip orbital angular momentum single-photon sources)為題發(fā)表在 Science Advances 上,電子科技大學為一單位 ,其導師王志明教授與南丹麥納米光學中心主任謝爾蓋·博熱沃爾尼(Sergey I. Bozhevolnyi)院士以及丁飛教授共同參與指導[1]。
自由空間的量子光學計算系統(tǒng),通常要搭建復雜的光學組件,體積也比較大。如何將自由空間的量子光學計算體系的組件進行小型化、并實現(xiàn)緊湊性,是下一代集成解決方案的研究方向。
不同于電學集成,光子的本征特性使得該研究所面臨問題的復雜度和維度都更高。
首先是理論更加復雜,其次是材料不統(tǒng)一。光學器件的復雜性,在于使用硅基工藝并不能完全實現(xiàn)所有光學特性,還有一系列功能需要其他半導體、以及非線性材料才能實現(xiàn),材料工藝的不兼容性使得系統(tǒng)集成面臨巨大挑戰(zhàn)。
此外,也需要設計新型的結(jié)構(gòu)去實現(xiàn)相位調(diào)制、濾波以及高靈敏的片上單光子探測等功能。
量子集成光學芯片的核心組件是有源部件,即在片上就能提供量子光學所需的單光子源。當前,可用于片上集成的光源體系主要有量子點、二維材料應力缺陷、DBT 分子和納米金剛石色心。
前三者的常溫壽命極短且不穩(wěn)定,低溫和強磁場的工作環(huán)境又異??量?。金剛石由于本身晶體結(jié)構(gòu)就很穩(wěn)定,且金剛石色心能在常溫下激發(fā)出穩(wěn)定的單光子,從而能在室溫中長時間工作,這極大幫助了單光子源在室溫條件下的集成。
另據(jù)悉,單光子源可被有效耦合到波導上,從而在片上進行傳播,但它對光源的直接調(diào)控能力依然受限。而超表面能對光學的本征特性比如偏振轉(zhuǎn)換、偏振選擇、波前相位調(diào)制,來改變傳播方向和形成軌道角動量。
特別是軌道角動量光束,為光學現(xiàn)象和物理現(xiàn)象提供了新理解,揭示了宏觀物理光學和微觀量子光學之間的微妙聯(lián)系和應用,包括光操作、光通信、目標識別、自旋和軌道相互作用、高階量子糾纏和非線性光學等。
因此對于超表面來說,它對光的調(diào)控能力很強大,應用空間也很廣闊。但無論是經(jīng)典光源、還是單光子源,都會依賴外部光源,比如激光或者自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換(SPDC,Spontaneous Parametric Down-Conversion)的輸入。這導致將光源直接與超表面集成,成為該領(lǐng)域內(nèi)始終未被攻克的難題。
要想給難題照進曙光,起碼需要解決如下分支問題:一是光源如何有效集成在片上?二是所集成的光源能否輻射單光子并調(diào)控軌道角動量么?三是單光子源能在室溫下工作么?四是集成能否與 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互補金屬氧化物半導體)的制備工藝相兼容呢?
針對這幾個具體問題,吳錯采用NV色心的納米金剛石作為量子****,從而保證室溫條件下單光子輻射的穩(wěn)定性。
而基于銀的金屬襯底,可以支持亞波長模式的表面等離激元,進而提高集成的緊湊性。另外,他還通過將阿基米德螺旋結(jié)構(gòu)的超表面,精確設計在納米金剛石的周圍,來提供相位調(diào)控的功能。
由于吳錯采用負性光刻膠 HSQ(Hydrogen Silsesquioxane Polymers,?種半導體級純度的氫倍半硅氧烷聚合物)進行了一次結(jié)構(gòu)成型,因此對 CMOS 的制備工藝非常友好。
最終生成的器件,****出的單光子束具有良好的準直特性,并帶有不同的自旋角動量和軌道角動量,且兩種角動量態(tài)具有糾纏特性。
對于研究過程,吳錯回憶稱,該研究是基于超表面調(diào)控單光子束流相關(guān)研究的延伸探索,立項之初并非按照預期想法“有意為之”,更像是將科研融入生活后慢慢推進來的。
期間主要經(jīng)歷如下階段:理論設計、結(jié)構(gòu)建模、仿真計算、構(gòu)建分析算法、器件制備、光路搭建以及實驗表征等。
他說,此次立項要從丹麥疫情和學校關(guān)停導致無法開展線下實驗說起。
在開展片上軌道角動量研究之前,他和合作者已經(jīng)率先開展了另一個關(guān)于片上提供多個偏振通道的工作,當時需要用到南丹麥大學麥斯克勞森研究所(The Mads Clausen)的設備。因為疫情導致學校關(guān)停,該工作的進度很緩慢。
這時,吳錯被迫只能將一些線下實驗壓縮為線上計算工作。雖然關(guān)停,但作為科研人員,他依然對日后可以開展線下實驗充滿期待。
因此,在進行計算工作時,他設定了一個前提條件:僅通過光刻膠 HSQ 的標準加工工藝,來達到器件的一次成型,這為之后開展片上軌道角動量的工作奠定了基礎。
期間,吳錯和導師王志明教授、以及丹麥的合作者,時常在線上開會探討,借此打破國際交流阻礙,時不時會萌生很多新想法,比如片上調(diào)控光束偏轉(zhuǎn)、選擇性耦合、打破自旋的對稱性、以及軌道角動量等。
而片上軌道角動量,只不過是眾多想法中的一員。由于 NV 色心中含有兩個正交的偶極子,其具有偏振不敏感的特性。通過對片上軌道角動量的理論進行了初步推導得知:聚焦的徑向偏振激光,具有非常強的垂直于表面的激發(fā)分量,從而能夠通過 NV 色心激發(fā)出在金屬襯底表面徑向分布的表面等離激元,將徑向分布的電場簡化為 Jones 矢量并通過外部結(jié)構(gòu)來提供一個相位因子,便在理論上能夠分解出對應可調(diào)的角動量拓撲數(shù)。
考慮到在實際制備中的限制,吳錯還得盡可能設計出與理論相近的器件結(jié)構(gòu)。為此,他采用 FDTD 法(時域有限差分法,F(xiàn)inite Difference Time Domain),對螺旋結(jié)構(gòu)進行建模和三維全波仿真,因為局部態(tài)密度將量子****的量子躍遷過程和經(jīng)典電偶極子的輻射過程相互聯(lián)系了起來,因此可以把 NV 色心的垂直分量理想化為電偶極子的激勵源。
利用 FDTD 中的編程語言,吳錯構(gòu)建了從器件結(jié)構(gòu)、性能分析算法、到器件制備的快速實現(xiàn)和迭代流程。
但根據(jù)計算結(jié)果他發(fā)現(xiàn),好的軌道角動量特性和超高的耦合效率之間存在一定的取舍,最終選擇優(yōu)先保證軌道角動量的特性。
在實際制備中,通過熱沉積和磁控濺射,可加工出所需光學厚度的銀襯底、以及較薄的二氧化硅層。
為何選用金屬銀?是因為金在 600nm 以上的波長存在帶間躍遷,這導致表面等離激元的吸收損耗會高很多,為保證更高的出射光子效率,因此選用了損耗更低的銀。
而銀在空氣中容易氧化,所以通過覆蓋較薄的二氧化硅層來對銀進行保護。此外,二氧化硅層還能防止量子****的熒光淬滅、以及提高 HSQ 介質(zhì)與襯底之間的粘附性。
結(jié)果發(fā)現(xiàn),含多個 NV 色心的納米金剛石粒徑在~100nm,在明場光學顯微鏡下不易被直接觀測,而暗場光學顯微鏡則可觀察到它的邊緣散射光,因此可利用量子****的定位算法,對暗場圖像進行計算、來獲取相對坐標,進而利用電子束光刻技術(shù),將給定坐標的位置進行 HSQ 的曝光顯影成型。
此外,吳錯還基于多個 NV 色心的納米金剛石,對軌道角動量光束的調(diào)控進行了實驗驗證。
其次,他還讓單個 NV 色心的納米金剛石作為單光子源,由于其粒徑更小,可利用熒光掃描圖像來確定相對。集成到器件前后的 NV 色心,其二階相關(guān)性分別顯示為 0.17 和 0.22,表現(xiàn)出明顯的單光子特征(小于 0.5 即可)。
利用量子態(tài)層析技術(shù),通過適當選取測量的基和次數(shù),滿足非奇異性條件后,即可對角動量之間的量子態(tài)進行測量、并驗證其糾纏特性。
有效助力高密度量子集成芯片的單片集成
回顧研究過程,吳錯表示:“我在光路搭建時,受到了南丹麥大學沙里什·庫馬爾(Shailesh Kumar)教授的指導,他總能從不一樣的數(shù)學路徑來理解量子物理,讓我受益頗豐?!?/span>
熒光的光路對環(huán)境光非常敏感,因此需要非常暗的環(huán)境來操作和測量,當房間燈一關(guān)閉,黑暗的環(huán)境仿佛把吳錯從宏觀世界一下拉進量子世界。他像個洞穴探險者一樣,摸索著光路的全貌,在搭建期間用廢了四組 AAA 電池。正是這樣的付出,使他完成了該研究。
由于該成果可同時加載多個自旋和軌道角動量光束,吳錯希望它在未來能極大提升光通訊、全息成像、量子集成系統(tǒng)的信息加載和傳輸能力,并能夠有效助力于高密度量子集成芯片的單片集成。
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