一種基于量子點(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源及遠(yuǎn)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(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源及遠(yuǎn)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(yīng)用，如量子隱態(tài)傳輸、量子密碼和分布式量子計(jì)算，等等。傳統(tǒng)產(chǎn)生糾纏光子對(duì)主要是通過(guò)參量光下轉(zhuǎn)換方法實(shí)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(duì)，從而降低量子計(jì)算以及通訊的可靠性與安全性。利用半導(dǎo)體量子點(diǎn)的雙激子自發(fā)輻射過(guò)程可以產(chǎn)生確定性的糾纏光子對(duì)，因而比參量光下轉(zhuǎn)換方法有根本性的優(yōu)勢(shì)。
[0003]圖1所示為基于量子點(diǎn)的糾纏光源的原理圖。其中H和V分別為光子的兩個(gè)偏振方向，Afss(FSS:精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂，fine structure splitting)為激子的精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂。在此過(guò)程中，如果單激子的能級(jí)是簡(jiǎn)并的，那么它會(huì)通過(guò)兩條不同的不可區(qū)分的路徑煙滅，這個(gè)過(guò)程必定產(chǎn)生最大糾纏的量子光子對(duì)。
[0004]現(xiàn)在技術(shù)碰到的主要問(wèn)題有如下幾個(gè)。第一，量子點(diǎn)的單激子能級(jí)不是簡(jiǎn)并的，而是有一個(gè)很大的劈裂。這個(gè)劈裂一般有幾十微電子伏特，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)有糾纏光子對(duì)的產(chǎn)生。第二個(gè)困難為，即便是利用外力獲得了最大糾纏態(tài)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊，因?yàn)椴煌孔狱c(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)是不同的，所以很難實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)之間的耦合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0006]本發(fā)明的目的是提供一種基于量子點(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源及遠(yuǎn)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(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源，包括一個(gè)量子點(diǎn)層，所述量子點(diǎn)層中包括量子點(diǎn)，在量子點(diǎn)層的上方和下方分別具有一個(gè)上壓電層和下壓電層，下壓電層可以在水平面的兩個(gè)方向上給量子點(diǎn)層施加應(yīng)力，上壓電層可以在垂直水平面的方向上給量子點(diǎn)層施加應(yīng)力。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述兩個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)量子點(diǎn)的[100]和[110]方向。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，所述量子點(diǎn)是InAS/GaAs量子點(diǎn)或者InAs/InP量子點(diǎn)。
[0011]本發(fā)明還提出一種遠(yuǎn)程量子通訊系統(tǒng)，包括上述基于量子點(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】，通過(guò)偏振分光鏡將兩個(gè)量子點(diǎn)糾纏光源級(jí)聯(lián)糾纏。
[0013](三)有益效果
[0014]本發(fā)明可以保證在量子點(diǎn)的激子能量和精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂的調(diào)節(jié)過(guò)程中量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂一直近似為O，因此不會(huì)破壞所獲得光子的糾纏度，由此保證量子通訊與量子計(jì)算的安全性與準(zhǔn)確性
[0015]本發(fā)明通過(guò)獨(dú)立調(diào)節(jié)不同量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)和波長(zhǎng)，可以實(shí)現(xiàn)不同量子點(diǎn)的耦合，所實(shí)現(xiàn)的量子點(diǎn)糾纏光源可以滿足遠(yuǎn)程量子通訊的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為量子點(diǎn)糾纏光源的原理圖；
[0017]圖2A顯示了量子點(diǎn)級(jí)聯(lián)糾纏光源的示意圖；
[0018]圖2B是本發(fā)明基于量子點(diǎn)的可級(jí)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(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源的工作狀態(tài)圖；
[0020]圖2D顯不了在外加電場(chǎng)下量子點(diǎn)樣品的應(yīng)變行為
[0021]圖3A顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的基于量子點(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源的InAs/GaAs量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)；
[0022]圖3B顯示了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中量子點(diǎn)精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂隨量子點(diǎn)所受應(yīng)力的變化
[0023]圖4A和圖4B顯示了量子點(diǎn)發(fā)光能量和精細(xì)結(jié)構(gòu)在外加垂直方向上應(yīng)力的變化。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本發(fā)明提出的量子點(diǎn)糾纏光源通過(guò)不同的外力調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂以及發(fā)光波長(zhǎng)，從而實(shí)現(xiàn)不同量子點(diǎn)的耦合。具體來(lái)說(shuō)，其包括一個(gè)量子點(diǎn)層，量子點(diǎn)層中包括量子點(diǎn)，在量子點(diǎn)層的上方和下方分別具有一個(gè)上壓電層和下壓電層，下壓電層可以在水平面的兩個(gè)方向上給量子點(diǎn)層施加應(yīng)力，該兩個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)量子點(diǎn)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(yīng)力。
[0025]—般情況下，量子點(diǎn)糾纏光源的發(fā)光波長(zhǎng)不是固定的，不同的量子點(diǎn)發(fā)光波長(zhǎng)是不同的。量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)水平面內(nèi)的應(yīng)力敏感，而對(duì)垂直方向上的應(yīng)力不敏感；反之，激子能量對(duì)垂直方向上的應(yīng)力敏感，對(duì)水平面內(nèi)應(yīng)力不敏感。因此，本發(fā)明的所述量子點(diǎn)層的量子點(diǎn)可通過(guò)所述應(yīng)力實(shí)現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)和波長(zhǎng)的獨(dú)立調(diào)節(jié)。
[0026]圖2A顯示了量子點(diǎn)級(jí)聯(lián)糾纏光源的示意圖。可以通過(guò)偏振分光鏡(PBS)將兩個(gè)量子點(diǎn)糾纏光源級(jí)聯(lián)糾纏。圖中QD指的是量子點(diǎn)，Ap-A4是量子點(diǎn)所發(fā)光子的波長(zhǎng)。因此，通過(guò)本發(fā)明的量子點(diǎn)糾纏光源可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0028]圖2B是本發(fā)明基于量子點(diǎn)的可級(jí)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(gè)量子點(diǎn)層1、位于量子點(diǎn)層下方的下壓電層2和位于量子點(diǎn)層上方的上壓電層3。所述量子點(diǎn)層I包括量子點(diǎn)(圖中的黑點(diǎn))，可以用InAS/GaAs量子點(diǎn)或者InAs/InP量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。其中這些量子點(diǎn)可以是純的量子點(diǎn)，也可以是合金量子點(diǎn)?！揪唧w實(shí)施方式】將取決于具體所采用的波長(zhǎng)范圍。對(duì)于通訊波段，可以采用InAs/InP量子點(diǎn)。
[0029]根據(jù)本發(fā)明，所述下壓電層2可以在水平面的兩個(gè)方向上給量子點(diǎn)層I施加應(yīng)力，該兩個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)量子點(diǎn)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(diǎn)層I施加應(yīng)力。這樣，通過(guò)三個(gè)獨(dú)立源的控制，本發(fā)明的量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂和波長(zhǎng)可以由外力(包括應(yīng)力和電場(chǎng))獨(dú)立調(diào)節(jié)。
[0030]圖2C顯示了本發(fā)明基于量子點(diǎn)的可級(jí)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(guò)在壓電陶瓷兩個(gè)方向上加外電壓(場(chǎng))，可以調(diào)節(jié)水平面內(nèi)兩個(gè)方向上的應(yīng)力。
[0031]圖2D顯示了在外加電場(chǎng)下量子點(diǎn)樣品的應(yīng)變行為。如圖2D所示，外加z方向上的電壓(Vz)，可以對(duì)量子點(diǎn)產(chǎn)生[100]方向上的應(yīng)力，外加y方向上的電壓(Vy)，可以對(duì)量子點(diǎn)產(chǎn)生[110]方向上的應(yīng)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(gè)實(shí)施例的基于量子點(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源的InAs/GaAs量子點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，如圖3A所示，InAs量子點(diǎn)生長(zhǎng)在GaAs蓋層中。量子點(diǎn)可通過(guò)激子發(fā)光。
[0033]圖3B顯示了上述實(shí)施例中量子點(diǎn)精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂隨量子點(diǎn)所受應(yīng)力的變化。如圖3B所示，通過(guò)同時(shí)外加[100](或[010])方向的應(yīng)力，可以將量子點(diǎn)精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂調(diào)節(jié)到接近于零。
[0034]通過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)不同量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)不同量子點(diǎn)的能量匹配，從而實(shí)現(xiàn)它們之間的糾纏。在這個(gè)獨(dú)立調(diào)節(jié)過(guò)程中，量子點(diǎn)的精細(xì)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(guò)程中不會(huì)破壞量子點(diǎn)糾纏光源的糾纏度。
[0035]圖4A和圖4B顯示了量子點(diǎn)發(fā)光能量和精細(xì)結(jié)構(gòu)在外加垂直方向上應(yīng)力的變化。如圖4A所示，量子點(diǎn)發(fā)光能量在很大范圍隨外加應(yīng)力線性變化。如圖4B所示，在外加垂直方向應(yīng)力時(shí)，精細(xì)結(jié)構(gòu)變化很小。
[0036]如果引入三個(gè)獨(dú)立應(yīng)力，那么量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)可以調(diào)節(jié)約20meV，而在整過(guò)區(qū)間，量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂可以保持小于譜線的自然展寬。這個(gè)結(jié)果表明，在調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)的同時(shí)，糾纏光子對(duì)的糾纏度不會(huì)被破壞。
[0037]綜上所述，量子點(diǎn)的發(fā)光波長(zhǎng)和精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂可以由三個(gè)應(yīng)力獨(dú)立調(diào)節(jié)，從而可以實(shí)現(xiàn)不同量子點(diǎn)的耦合，以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量子通訊。
[0038]以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)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(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于量子點(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源，包括一個(gè)量子點(diǎn)層，所述量子點(diǎn)層中包括量子點(diǎn)，在量子點(diǎn)層的上方和下方分別具有一個(gè)上壓電層和下壓電層，下壓電層可以在水平面的兩個(gè)方向上給量子點(diǎn)層施加應(yīng)力，上壓電層可以在垂直水平面的方向上給量子點(diǎn)層施加應(yīng)力。2.如權(quán)利要求1所述的基于量子點(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源，其特征在于，所述兩個(gè)方向分別對(duì)應(yīng)量子點(diǎn)的[100]和[110]方向。3.如權(quán)利要求1所述的基于量子點(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源，其特征在于，所述量子點(diǎn)是InAS/GaAs量子點(diǎn)或者InAs/InP量子點(diǎn)。4.一種遠(yuǎn)程量子通訊系統(tǒng)，包括如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)的基于量子點(diǎn)的可級(jí)聯(lián)糾纏光源。5.如權(quán)利要求4所述的遠(yuǎn)程量子通訊系統(tǒng)，通過(guò)偏振分光鏡將兩個(gè)量子點(diǎn)糾纏光源級(jí)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(diǎn)的可級(jí)聯(lián)的糾纏光源。這種光源的量子點(diǎn)的精細(xì)結(jié)構(gòu)劈裂和波長(zhǎng)可以獨(dú)立調(diào)節(jié)，因此可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)量子點(diǎn)之間的耦合，從而實(shí)現(xiàn)可級(jí)聯(lián)的糾纏光源。這種糾纏光源可以用于遠(yuǎn)程量子信息以及相關(guān)的量子通訊中。
【IPC分類】H01L33/06
【公開號(hào)】CN105070803
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510552098
【發(fā)明人】何力新, 王建平, 龔明, 郭光燦
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年11月18日
【申請(qǐng)日】2015年9月1日