微腔增强发射的半导体量子点单光子源
微腔增强发射的半导体量子点单光子源
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前沿进展
激发的理想单光子源，在每一个脉冲周期，只发 射一个光子，这时二阶关联函数曲线是由一系列 周期排列的峰组成，在零时刻的峰应该是消失 的，即 g(2)(τ = 0) = 0 ，表示两个单光子探测器同 时测到光子的几率为零。在实际测量光子的统计 特性时，一般认为 g(2)(τ = 0) < 0.5 时，多光子的 发射概率显著减小，体现出单光子发射的反聚束 特性。
随着对光子的深入研究，单光子在若干领域 显示出重要的应用价值。在量子保密通信的量子 密匙分配中，发送信息者与接收信息者通过光子 量子态的交换作用安全地传递信息，从而起到对 信息的加密作用。在多光子的通信中，窃听者可 以将多余的光子分离出来进行分析，从而窃取 到要传递的全部信息，却不影响剩下的光子继续 传递信息，造成信息失窃。但对于单光子通信 来说，量子密匙分配协议可以确保信息不被窃 听，因为一旦窃听者要对传递过程中的单个光 子进行分析，必然要对光子量子态进行干扰，从 而使信息失真，所以单光子对于利用量子密匙分 配协议安全传递信息至关重要[1，2， 。 4] 在线性光 学量子计算方面，光子量子比特可以通过操控光 子的偏振和相位等自由度进行编码。此外，光子 还具有高速传播，与周边环境相互作用较弱，传 播时损耗与噪声低等特点。因此，可控、稳定而 且可重复发射的单光子源对量子信息处理的实现
一个光子后，在时间间隔 τ 内，很难立刻再次发射
光子，是反聚束光源，光子统计是亚泊松统计。
理想的单光子源按照固定的频率发射单个光子，
光子之间有固定的时间间隔，是反聚束光源[5，6]。
测量光子统计规律的方法是分析光子的二阶
关联函数 ， [7] 二阶关联函数是描述光场强度 I 的
关联量，可以表述为
半导体量子点单光子源的机理与实现
半导体量子点单光子源的机理与实现半导体量子点单光子源是一种能够发射出单个光子的光源，它在量子通信、量子计算等领域具有重要的应用价值。
本文将介绍半导体量子点单光子源的机理和实现方法。
一、半导体量子点的基本概念半导体量子点是一种纳米级的材料，其尺寸通常在1-10纳米之间。
由于其尺寸远小于光波长，量子点表现出了与体块材料不同的电子结构和光学性质。
半导体量子点可以被看作是一种人工合成的原子，其能级结构可以通过调控尺寸和组成来实现。
二、半导体量子点的发光机制半导体量子点的发光机制是通过电子从激发态跃迁到基态时释放出光子的过程。
在半导体量子点中，电子和空穴之间的能级间隔与量子点的尺寸密切相关。
当外界施加一定的能量激发了量子点中的电子，电子将从价带跃迁到导带，形成激子。
随后，激子可以通过自发辐射或受到外界激励而发射出光子。
三、半导体量子点单光子源的实现实现半导体量子点单光子源的关键在于控制量子点的能级结构和发光过程。
以下是两种常见的实现方法：1. 电子束曝光法：通过使用电子束曝光技术，可以在半导体材料上制备出排列有序的量子点阵列。
在这种方法中，通过控制电子束的能量和剂量，可以实现量子点的精确定位和尺寸控制。
通过这种方法制备的量子点具有较好的发光性能，能够实现较高的单光子发射效率。
2. 分子束外延法：分子束外延是一种在真空条件下生长晶体的技术，可以用来制备高质量的半导体量子点薄膜。
通过调节生长参数，可以控制量子点的尺寸和组成，从而实现对量子点能级结构的精确调控。
利用这种方法制备的半导体量子点单光子源具有较高的发光效率和较窄的光谱宽度。
四、半导体量子点单光子源的应用半导体量子点单光子源在量子通信、量子计算等领域具有广泛的应用前景。
在量子通信方面，半导体量子点单光子源可以用来实现安全的量子密钥分发和量子隐形传态等量子通信协议。
在量子计算方面，半导体量子点单光子源可以用来实现量子比特的初始化和读出操作，是构建可扩展量子计算系统的重要组成部分。
如何利用量子点实现高效的单光子源
如何利用量子点实现高效的单光子源在当今的量子科学领域，实现高效的单光子源是一项关键且具有挑战性的任务。
量子点作为一种具有独特量子特性的纳米材料，为实现高效单光子源提供了极具潜力的解决方案。
首先，让我们来了解一下什么是量子点。
量子点是一种尺寸在纳米级别的半导体晶体，其电子的运动受到强烈的限制，从而展现出独特的量子力学特性。
由于量子限域效应，量子点的能级变得离散，这使得它们能够精确地控制电子的跃迁，从而产生单光子发射。
要利用量子点实现高效的单光子源，关键在于对量子点的精确制备和调控。
制备高质量的量子点需要先进的技术和精细的工艺。
目前，常见的制备方法包括自组织生长、胶体化学合成等。
自组织生长通常在半导体外延生长过程中实现，通过控制生长条件，可以获得尺寸均匀、形状规则的量子点。
胶体化学合成法则在溶液中进行，具有操作简单、成本较低的优点，但对于量子点的尺寸和形貌控制相对较难。
在制备出量子点之后，还需要对其进行有效的封装和隔离。
这是因为量子点表面存在大量的缺陷和杂质，这些会导致非辐射复合，降低单光子发射效率。
通过使用合适的封装材料，如二氧化硅、聚合物等，可以减少表面缺陷，提高量子点的发光性能。
另外，选择合适的激发方式对于实现高效单光子源也至关重要。
常见的激发方式包括光激发和电激发。
光激发相对简单，通过使用特定波长的激光照射量子点，可以使其产生单光子发射。
然而，光激发的效率往往受到激光功率、吸收系数等因素的限制。
电激发则可以实现更高效的能量注入，但需要复杂的电极结构和精确的电学调控。
为了提高单光子源的效率，还需要解决量子点的发光均匀性和稳定性问题。
由于量子点的尺寸和形状存在一定的分布，导致它们的发光特性不尽相同。
通过优化制备工艺和生长条件，可以减小这种差异，提高发光的均匀性。
同时，量子点在工作过程中可能会受到环境因素的影响，如温度、湿度、电磁场等，导致发光不稳定。
因此，需要采取有效的保护措施，如在低温、真空环境中工作，或者使用稳定的封装材料。
量子点单光子源
Michle 首先用CdSe 量子点在室温下获得了反聚集特性【Nature 2000,406:968~970】。
随后又采用InAs 量子点在温度为 4 K 条件下实现了单光子的发射【Science 2000, 290:2282~2285】。
与此同时另外两个研究组也用类似的实验手段实现了量子点中的单光子发射【Phys. Rev. Lett. 2001, 86:1502~1505】，【Appl. Phys. Lett. 2001, 78:2476~2478】为了在这种器件中进一步提高耦合效率，Yamamoto 小组将量子点置于一个高Q 的微腔中，通过改变自发辐射的几率实现了很高的耦合效率【Phys. Rev. Lett. 2001, 86:3903~3906】，并实现了单光子发射【Phys. Rev. Lett.2002, 89: 233602】。
随后，Cavendish 实验室小组还成功地实现了4 K 温度的电注入量子点单光子源【Science 2002, 295:102】2013年2月4日，英国《自然》子刊《自然—纳米技术》以长文形式，发表了中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等人关于量子点脉冲共振荧光确定性高品质单光子源的研究工作。
这是我国量子点光学量子调控领域发表在《自然》系列期刊上的第一篇论文。
嵌入微腔中的量子点散射一维波导中的单光子
［ ］ ． ｏｅｂ ｔ Ｐ Ｈ ｒ ， ． ｅ ｂ ， ｎ ．Ｆｌ ａ．Ｓ ｇ — ｔ ｔ ｔ ｎ ｓ ｇ ｈ ｐｒ ｇ ｇ ｌ ｙ ｏｅ ｏ ｍｅ ｉ ｓ ａ ｒ［ ］ １ Ｍ Ｒ ｓ ｌ ， ． ｏ ｋ Ｓ Ｈ ｌ ｙ ａｄＲ ｏ ｎ ｉ ｌ ａ ｍ ｄ ｅ ｉ ｉ ｗ ｉ ｅ ｎ — ａｅ ｍ ｄｓ ｆ ｉ ｏ ｓ ｒ ｏ ｔ ｓＪ ． ｎｉ ａ ｓ ｍ ｎ ｅ ｏ ｅ ｃｏ ｕ ｎ ｓ ｉ ｌｒ ｒ ｋｅｎ ｏ ｄ
个 光子 。
收 稿 日期 ：２ １ ００—１ ０ ２— ７ 作者简介 ：宋艳 艳： ， 女 安徽蚌埠人 ， 安徽ｘ ￣大学教师 ， ｉｌ ｋ 研究方向为光电器件 的设计与仿真。
第４ 期
宋艳艳 ， 顾凌明 ， ： 等 嵌入微腔 中的量子点散射一维波导 中的单光子
・ ５・ ５
ｅ ￡
７ １ 年 ｌ 月 ０１ １
安庆师范学院学报（ 然科学版 ） 自
Ｊ ｕ ｌ ｆ ｎ ｉ ｅ ｃ ｅｓＣ ｌｇ （ ａｕ ｌ ｃ ｎ ｅＥ ｉ ｎ ｏ ｍａ ｏ ｑ ｇＴ ａ ｈ ｒ ｏ ｅ ｅ Ｎ ｔｒ ｉ ｃ ｄ ｉ ） Ａ ｎ ｌ ａＳ ｅ ｔ ｏ
Ｎｏ ． ０ｌ ｖ２ ｌ Ｖｏ１１ ．７ ＮＯ． ４
第 ｌ 卷 第 ４期 ７
嵌入微腔中的 量子点散射一维波导中的 单光子
宋艳 艳 ， 凌 明 ， 雅 琴 顾 骆
（ 安徽 －业大学 电气信息学院 ， Ｅ 安徽 马鞍 山 ２ ３０ ） ４０ ２
摘
要 ：本文采用全量子力学 的方法研究 了嵌入微腔 中的量子点散射一维波导中的单光子 问题 。通 过实空间的方
图 １ （ ）系统的模型 ： ｏ 单模波导与微腔耦合 ， 量子点嵌入微腔 中；ｂ 量子点 的三能级模型 ， （）
单光子源研究进展分析
单光子源研究进展分析
近年来，单光子源研究取得了许多重要的进展，成为量子信息科学和光子学领域中备
受关注的热点之一。
单光子源是一种能够发射且仅发射出一个光子的具有确定性的光源。
通过利用单光子源，可以实现许多重要的应用，例如量子计算、量子通信和量子密码等。
在单光子源的研究中，目前主要有两种方法：非线性晶体方法和量子点方法。
非线性
晶体方法是利用非线性晶体的非线性光学效应来实现单光子的发射，如荧光粉或掺杂先进
的材料作为荧光体。
这种方法的优点是发射的单光子具有高纯度和高单光子地址，但其缺
点是发射效率较低。
量子点方法是通过制备半导体纳米结构来实现单光子的发射，如量子
点和量子线。
这种方法的优点是发射效率较高，但其缺点是单光子的纯度和单光子地址不
如非线性晶体方法。
近年来，科学家们在单光子源研究中取得了许多重要的进展。
在非线性晶体方法方面，研究人员成功地实现了高效率的单光子源。
他们通过优化材料的制备工艺和光子的收集系统，将发射效率提高到了接近100%。
研究人员还提出了一种新的非线性晶体方法，即基于超材料的单光子源。
超材料是一种具有特殊光学性质的人工合成材料，可以实现对光子的
精确控制。
通过利用超材料，研究人员可以实现更高的发射效率和更好的单光子控制。
单光子源的研究取得了许多重要的进展，并且在量子信息科学和光子学领域中有着广
泛的应用前景。
随着更多的研究人员的加入和更深入的研究，相信单光子源的性能和应用
将会进一步得到改进和拓展。
中山大学光电材料与技术国家重点实验室在鲁棒性拓扑角态微腔中的半导体量子点单光子发射方面取得重大进展
中山大学光电材料与技术国家重点实验室在鲁棒性拓扑角态微腔中的半导体量子点单光子发射方面取得重大进展
喻颖
【期刊名称】《中山大学学报（自然科学版）（中英文）》
【年(卷),期】2024(63)2
【摘要】中山大学电子与信息学院喻颖、余思远教授团队联合中山大学物理学院陈晓东、董建文教授团队设计实现了与单个InAs/GaAs量子点的确定性耦合、单量子点的Purcell增强以及偏振的单光子发射,克服了量子拓扑光子学领域中拓扑角态与单个量子点的确定性耦合的难题。
相关成果以“Single photon emitter deterministically coupled to a topological corner state”为题,于2024年1月发表在Light:Science & Application。
【总页数】1页(PF0003)
【作者】喻颖
【作者单位】不详
【正文语种】中文
【中图分类】O41
【相关文献】
1.上海微系统所超导单光子探测技术在量子通信应用中取得重要突破--成功实现200公里测量器件无关量子密钥分发
2.1.55μm单光子源用Si/SiO2-InP微柱腔的鲁棒性研究
3.光子轨道角动量的应用与发展——记中山大学光电材料与技术国家
重点实验室蔡鑫伦课题组及其研究学科4.光子集成技术的基础：微腔激光器的研究——访中科院半导体所集成光电子学国家重点联合实验室半导体所实验区主任黄永箴教授5.微腔增强发射的半导体量子点单光子源
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半导体单量子点的分子束外延生长及调控(综合评述)
靠的确定性单光子和纠缠光子对的光源,当光子的波长与自然原子系综的吸收峰相匹配时,可以将光量子比
特存储在其中。 实验中常用的自然原子系综包括 Nd3 + ∶ YVO4 晶体( 吸收线为 879. 7 nm) 和 Yb∶ Y2 SiO5 晶体
states and the emission wavelengths. Finally, the recently developed droplet epitaxy growth technique is discussed, aiming to
achieve excellent quantum dot light sources.
容,仍存在巨大的挑战。 本文将从分子束外延生长的角度出发,探讨进一步提升单量子点材料品质的生长及
精确调控方法。
S-K( Stranski-Krastanow, S-K) 模式生长的 In( Ga) As / GaAs 量子点作为量子光源表现出优异的性能,具
有极高的量子效率和接近变换极限的发射线宽 [9,34-36] 。 然而,可靠的晶圆级生长技术一直是难点 [37-39] 。 针
匀单量子点的分子束外延生长,并探讨了调控浸润层态和量子点对称性的生长方法;接下来概述了利用应变层调控
量子点发射波长的方法,总结了几种常见的电调控单个量子点器件的设计原理;最后讨论了最近为实现优异量子点
光源而开发的液滴外延生长技术。
关键词:单量子点;分子束外延;生长调控; S-K 模式;液滴刻蚀;单光子源;纠缠光源
点 [50-51] ,以及量子点的应变控制 [52] 等方法。 在下文第 2 节中,首先介绍了常见的用以改善量子点的均匀性
光量子通信中的单光子源技术分析
4Internet Communication互联网+通信随着现代量子云计算、量子密码学理论和量子网络通信等一系列量子信息处理技术的快速发展，新型稳定、高效、可靠的单光子源技术成为其中最关键的技术之一。
在量子信息技术出现后，迫切需要发展一种更先进、可靠的量子单光子源技术。
这种技术的关键在于确保每个光子触发器中至少有一个发出的光子。
然而，由于目前技术条件的某些限制，这种近乎理想形态的单个光子源已无法实现，人们只能依靠不断研究、探索和改进，以达到尽可能更接近理想形状的单个光子源。
因此，人们只能通过持续的研究、探索和改进来尽可能接近理想的单个光子源。
近年来，在现代光量子通信技术的飞速发展下，各种有关单光子源理论的新方法不断涌现。
量子通信为信息传输提供了全新的方式，因此，在军事、外交和商业等领域都具有广阔的应用前景[1]。
一、单光子源相关概念分析（一）发展单光子源的意义在我国科研及开发过程中，传统的RSA 密钥系统也逐渐出现一些劣势，主要原因是在黑客攻击的威胁下，工作安全性降低，并且相关数据容易受到波及。
因此，研究量子密钥逐渐成为重要的议题，可以保护数据的安全性。
然而，从目前量子研究可以看出，并不存在真正完美的量子单光子源。
通常使用的单光子源是通过激光衰减的方式获得的，这种方式能够提供满足量子物理方程分布的光子，对于单光子源技术的发展起到支持作用。
但是在光子的传播过程中，可能会伴随能量损耗的现象。
因此，在对光子的研究过程中，需要寻找真正完整的单光子源，以满足安全性的要求。
单光子源技术已经是当前较为广泛使用的一种通信载体，尤其在光量子通信领域中。
然而，在开发过程中常常会遇到大量的纠缠事件，这些纠缠事件会给实际计算应用带来许多问题。
为了解决存在的问题，需要不断探索高质量、高品质、高效的单光子源技术。
只有这样，才能满足实际应用的需求。
（二）自组装半导体量子点光量子通信中的单光子源技术分析在单光子源领域的发展过程中，加强对自组装半导体量子点的研究至关重要。
半导体微腔中电偶极子的自发发射
半导体微腔中电偶极子的自发发射随着科技的不断发展，半导体微腔技术的研究和应用越来越广泛。
其中，电偶极子的自发发射是半导体微腔中的一种重要现象，对于半导体微腔的研究和应用具有重要的意义。
本文将从半导体微腔的基本原理、电偶极子的概念、电偶极子的自发发射机制以及电偶极子自发发射在半导体微腔中的应用等方面进行探讨。
一、半导体微腔的基本原理半导体微腔是一种特殊的光学器件，它由两个半导体材料之间的空隙组成。
这个空隙内的光场会被反射，在空隙内形成驻波，从而形成微腔。
半导体微腔的尺寸通常在几微米到几百微米之间。
由于微腔的尺寸非常小，因此光子在微腔内的停留时间非常长，可以达到纳秒级别。
半导体微腔的工作原理是将电子注入半导体材料中，通过电子和空穴的复合释放出光子。
这些光子在微腔内反射，形成驻波。
驻波的能量会被限制在微腔内，从而形成高品质因子的光场。
二、电偶极子的概念电偶极子是一种极小的电荷分布，它在外电场的作用下会发生运动。
电偶极子的运动会产生电磁波，这种波被称为辐射。
电偶极子是一种非常重要的物理学概念，它在电磁学、光学、天文学等领域都有广泛的应用。
三、电偶极子的自发发射机制在半导体微腔中，电子和空穴的复合会产生电偶极子。
这些电偶极子在微腔内不断地发生振荡，从而产生自发发射。
电偶极子的振荡频率受到微腔的限制，因此电偶极子的自发发射频率也会受到微腔的限制。
当微腔的尺寸非常小，光子的停留时间非常长时，电偶极子的自发发射就会变得非常强。
四、电偶极子自发发射在半导体微腔中的应用电偶极子的自发发射在半导体微腔中有着广泛的应用。
首先，它可以用于制造高品质因子的光场。
这种光场可以用于制造高精度的光学器件，例如光学谐振腔和激光器等。
其次，电偶极子的自发发射还可以用于制造单光子源。
由于电偶极子的自发发射是随机的，因此可以通过控制微腔的尺寸和形状来控制自发发射的频率。
当自发发射频率为单光子级别时，就可以制造出单光子源。
最后，电偶极子的自发发射还可以用于制造量子比特。
单光子源研究进展分析
单光子源研究进展分析单光子源是一种在量子计算、量子密码和量子通信等领域中被广泛应用的基础性设备。
随着量子信息技术的快速发展，单光子源的研究也日益引起了人们的关注。
本文将对近年来单光子源的研究进展进行分析和总结。
一、基本原理单光子源是指能够发射出单个光子的光源。
其基本原理是通过激发原子或分子从其基态跃迁到激发态，在返回基态的过程中辐射出一个光子。
单光子源的关键在于破坏并过滤掉多光子激发事件，只保留单光子发射事件。
二、研究现状1. 基于半导体量子点的单光子源半导体量子点是一种具有强量子限制限制性的半导体材料，具有高效的光致发光和发射单个光子的能力。
近年来，利用半导体量子点制备单光子源的研究颇受关注。
例如，研究人员通过挖掘磁性半导体材料的本征性质，成功地制备出具有高效电激发和发射单个光子的单光子源。
离子晶体是一种具有广泛应用前景的无机材料，其化学稳定性、光学透明性和非线性光学性能等方面表现出了十分优越的性质。
利用离子晶体制备单光子源已成为当前的研究热点。
例如，研究人员成功地制备出具有优异光学性能的LiNbO3单晶材料，可用于制备高效的单光子源。
在量子点和熔融盐混合体系中，由于在界面处形成的电子和空穴的限制态和固体和液态之间的自排序特性，可以实现单光子源的自组装。
研究人员利用这一原理，成功地制备出具有优异光学性能的单光子源。
三、未来展望当前，单光子源已成为量子通信、量子计算和量子密码等领域中必不可少的基础设备。
但是，目前单光子源的制备成本较高，制备难度较大，且稳定性和效率需要进一步提高。
未来，需要通过进一步的研究和发展，提高单光子源的性能和可靠性，并实现其大规模制备和商业化应用。
光子晶体光学微腔的制备及光电性能研究
光子晶体光学微腔的制备及光电性能研究第一章：研究背景与意义光子晶体是一种结构规则的介电质材料，具有周期性的电磁场分布，被广泛用于光学等领域的研究。
其中，光子晶体光学微腔是一种高品质因子微腔，其工作原理是利用介电介质中的布拉格反射，将光束限制在空间内，并增强光与物质之间的相互作用。
该技术在微型激光器、光调制器、单光子源和基于量子信息的通信等领域具有很广泛的应用前景。
然而，光子晶体光学微腔的制备与性能研究仍存在较多挑战，因此本文主要从材料的制备、微腔的结构设计和性能测试三个方面对光子晶体光学微腔的制备及光电性能进行综述与探讨。
第二章：光子晶体材料的制备目前，常见的光子晶体材料主要包括有机和无机两种。
对于有机光子晶体材料的制备，主要是采用层层组装的方法，即将带有离子性的聚合物分子或小分子基团通过静电相互作用，一层一层地堆积在基板上，最终形成晶体结构；或者采用柔性自组装技术，通过超分子自组装形成分子基纤维等结构，最后形成晶体结构。
而无机光子晶体材料的制备则主要依靠石墨烯、TiO2等具有对称结构的材料。
例如，可以利用光刻和干法蒸发技术制备具有二维光子晶体结构的TiO2膜；或者采用局部氧化法制备上有元器件的三维光子晶体材料。
第三章：光子晶体光学微腔的结构设计针对不同研究领域和应用需求，光子晶体光学微腔可以采用不同的结构设计。
例如，在微型激光器领域，可以采用具有谐振性的光子晶体微腔，并控制不同的反射面，以调节激光波长和增强能量密度。
在单光子源领域，则需要采用直径较小的微腔结构，以减小能级间隔，实现单光子引发等效振荡。
此外，还可以利用多种工艺手段对光子晶体光学微腔的结构进行改善，如采用微机电加工工艺制备具有微米级高质因子的光子晶体微腔，或者将其与纳米粒子等进行结合，实现多功能性能的拓展等。
第四章：光子晶体光学微腔的性能测试光子晶体光学微腔的性能测试主要涉及微腔的质因子、谐振波长、耦合效率、单光子发射等性能。
其中，微腔的质因子是衡量微腔损耗大小的一个关键参数，质因子越高则代表光子在微腔中传输损耗越小。
半导体量子点单光子源研究
半导体量子点单光子源研究近年来，随着量子信息领域的兴起，独立的量子光子源成为了热门的研究方向。
在这个领域中，半导体量子点单光子源的研究引起了许多学者的关注。
半导体量子点是近年来发展成熟的纳米材料，具有许多优良性质，其中特别值得关注的是其单光子发射的特性。
当一个外部激发源在半导体量子点上施加能量时，量子点会发出一个单一的光子，这种现象称之为单光子发射。
量子点单光子源最大的优点是可以产生高质量、高亮度、高单光子纯度的单光子，这些特性在量子信息传输、加密安全等领域有着广泛的应用前景。
与传统的单光子源相比，半导体量子点单光子源具有更加稳定的光子产生能力，更好的波长可调性和更高的量子效率。
目前，半导体量子点单光子源的研究主要分为两类：在单量子点上引入微腔的研究和无微腔结构的研究。
前者可以实现单光子的起伏效应，使得单光子的辐射场更加激发，增加单光子的产生率。
后者则主要通过外界电磁场和界面上的缺陷来实现单光子的发射。
近年来，许多学者对于半导体量子点单光子源的研究展开了广泛的探索。
例如，美国犹他大学的研究人员成功使用非平板几何形状的量子点制备出具有稳定波长和单光子发射特性的单光子源；中国科学院物理研究所也在半导体量子点单光子源方面有所突破，成功制备出高亮度、高单光子发射纯度、长寿命的单光子源。
此外，半导体量子点单光子源的应用也逐渐得到了拓展。
在量子信息处理方面，研究人员已经成功实现了从半导体量子点单光子源发出的单光子的初始态制备、干涉以及序列操控等实验，为量子信息传输和量子计算领域的发展提供了坚实的基础。
总之，半导体量子点单光子源的研究已经取得了许多重要的进展，这为量子信息领域的发展提供了新的研究方向和技术手段。
相信在未来，随着研究的深入和技术的不断改进，半导体量子点单光子源将会被广泛应用于量子信息处理、加密安全和精密测量等领域，并对人类社会的进步做出贡献。
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合区具有不同的耦合特点。
在强耦合区[10，11]，量子点能级与微腔光场模
式耦合的本征能量是分裂的，分裂能为
E1,2
=
E0－i(γ
c－γ
)2
X
4±
g
2－(γ
c－γ
)2
X
16
，(2)
这里 E0 由未耦合的量子点激子能级 EX 与微腔光 场模式能量 EC 组成， g 是耦合强度， γX ， γC 分别 是 EX ， EC 谱峰的半高宽。通过分裂能级之间的 能量跃迁，即将二能级系统与单模微腔周期性地
=
<
I (t)I (t + τ) < I (t) > 2
>
，
(1)
其中 I(t)是 t 时刻测量到的光强度， g(2)(τ) 描述的
是，在时间 t 探测到一个光子后，在一个很短的时
间间隔 τ 内，再次探测到另一个光子的几率。对于
聚束光源，1 < g(2)(τ) < 2 ；对于相干光源， g(2)(τ) = 1；
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·43卷 (2014 年) 11 期
1 引言
意义重大[1，2]。
1.1 单光子在量子信息科学中的应用
1.2 光子的统计特性
目前量子信息科学的迅猛发展，迫切需要 能够实现量子计算与量子通信的量子态载体，光 子具有优良的量子特性，是这一载体的天然候选 者。为了对光子的特性有比较全面的了解，我 们有必要追述一下光子理论的发展历程。始于 1900 年 普 朗 克 提 出 的 电 磁 场 的 能 量 量 子 化 ， 1905 年爱因斯坦提出的光量子概念，量子力学理 论的建立使人们认识到光子具有波粒二象性的量 子特性[1]。这一特性可以通过单光子杨氏双缝干 涉实验来非常形象地说明：当单个光子一个接着 一个通过双缝，如果可以确定光子经过哪个狭 缝，我们就不能观察到光波干涉条纹；如果观察 到了狭缝后的光波干涉条纹，就不能确定光子经 过的具体路线 [1， 。 2] 以前的实验只能测到光子的 粒子性或者波动性，最近中国科学技术大学的李 传峰、郭光灿等人在实验中实现了光子这两个特 性的同时测量[3]。
1.3 半导体量子点单光子源
一个理想的单光子源应该满足以下几个条 件：一是可以按照使用者的要求，按任意频率一 个接一个地发射单光子；二是每个单光子之间是 不可区分的；三是单光子发射的几率为 100%， 多光子发射的几率为 0。目前的单光子源还不能 完全满足以上要求[1，7，8]。
半导体量子点具有类似原子的分立能级，可 以形成二能级系统，通过光泵浦或者电泵浦，在 二能级上产生电子—空穴对(激子)，电子和空穴 经过复合发射光子。要激发出量子点同一个能级 上相同自旋的激子，只有等前面的同一状态的激 子复合发光后才能再次激发，因此再次激发受到 前面激子复合发光寿命的控制，需要激发时间间 隔超过激子寿命，才可实现单光子的重复发射。 通过设计不同的半导体微腔结构及其与量子点耦 合，可以提高光子的发射效率和收集效率，同时 实现全同光子的发射，即每个单光子具有同样的
而对于反聚束光源， g(2)(τ) < 1 。实验上可以用
Hanbury-Brown 和 Twiss (HBT)干涉仪测量 g(2)(τ) ，
它主要由一个 50 ：50 分束器和两个单光子探测器
组成，如图 1 所示。对于具有固定周期的脉冲
图 1 测量光子关联性实验装置示意图
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发辐射能量以指数形式衰减，同时 E1,2 退变成单 值，所以拉比振荡不能在弱耦合区发生。通过改
关键词 单光子源，半导体量子点，半导体微腔，Purcell 效应
Abstract Single-photon sources are a basic resource for the implementation of quantum key distribution and linear optical-quantum computation. In this article, we review the photon statistical properties of light, in particular, single photons and their applications in quantum information science, semiconductor quantum dot based single-photon sources, and the principles of cavity quantum electrodynamics including the coupling between a two-level emitter and an optical cavity in the strong or weak coupling regime. In the weak coupling regime, the spontaneous emission rate can be enhanced by the cavity due to the Purcell effect. We then review the recent development of single-photon sources using single self-assembled quantum dots coupled with optical cavities. Semiconductor cavities employing distributed Bragg reflectors, micropillars and photonic crystals are used to enhance the repetition rate, collection efficiency, polarization and indistinguishability of single photons. Finally, future prospects of semiconductor quantum dot based single-photon sources are discussed.
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能级系统的自发辐射损耗率 γ 以及光子在微腔中的
损耗率 κ 要远小于耦合强度 g 。由于 g ∝1 V ，
κ ∝1 Q ， Q = EC γc ， 这 里 Q 是 微 腔 品 质 因 子 ，
所以通过增大 Q V 可以实现强耦合。在弱耦合
区[12]，耦合强度 g 要小于 γ 和 κ ，二能级系统的自
进行能量交换，形成拉比振荡。在强耦合区，二
图 2 自组织半导体量子点 (a)自组织生长的 InAs/GaAs 量子点的原子力显微镜图像。其中的亮点状结构是典型的侧向直径 20— 30 nm、高度 4—8 nm 的量子点；(b)利用原位生长技术形成规则排列的量子点的原子力显微镜图像；(c)GaAs 基体内 InAs 量子点 的侧面扫描隧道显微镜图像[7]
2 微腔量子电动力学
对于单量子点发光，光子以 4 π 角向空间辐
射，利用共聚焦显微透镜系统收集光子的效率很
低，光子传播的定向性很差。原子、量子点等和
微腔耦合后，辐射的光子与特定微腔光场模式耦
合，发射效率显著提高，光子传播的定向性得到
很大改善。二能级系统诸如原子和量子点与光学
微腔耦合的腔量子电动力学，在强耦合区与弱耦
Keywords single-photon sources, semiconductor quantum dots, semiconductor microcavity, Purcell effect
* 国家重点基础研究发展计划(批准号：2013CB328706，2014CB921003)、国 家自然科学基金(批准号：11174356，61275060)和中国科学院“百人计划 ”资助 项目
前沿进展
微腔增强发射的半导体量子点单光子源*
曹 硕 1，2 许秀来 1，†
(1 中国科学院物理研究所 北京 100190) (2 辽宁大学物理学院 沈阳 110036)
Microcavity enhanced single-photon emission from single semiconductor quantum dots
CAO Shuo1，2 XU Xiu-Lai1，†
(1 Institute of Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China) (2 School of Physics，Liaoning University，Shenyang 110036，China)
一个光子后，在时间间隔 τ 内，很难立刻再次发射
光子，是反聚束光源，光子统计是亚泊松统计。
理想的单光子源按照固定的频率发射单个光子，
光子之间有固定的时间间隔，是反聚束光源[5，6]。
测量光子统计规律的方法是分析光子的二阶
关联函数 ， [7] 二阶关联函数是描述光场强度 I 的
关联量，可以表述为
g (2)(τ )
光子的统计特性表明，传统的热辐射光源发
射的光子，在一个很短的时间间隔 τ 内，测到多
个光子的几率比较大，是聚束光源，光子统计是
超泊松统计；来自于激光的相干光，光子之间是
没有关联的，即在时间间隔 τ 内观测到两个光子
数的概率与任意时间间隔内观测到两个光子数的
概率是一样的，光子统计是泊松统计；而对于原
子、分子、量子点等具有分立能级的系统，发射出
2014－04－28 收到 † email：xlxu@
DOI：10.7693/wl20141105
摘 要 单光子源是实现量子密匙分配、线性光学量子计算的基本单元。作者回顾 了单光子源在量子信息科学发展中的作用，讨论了光子的统计特性，分析了具有类似原子 二能级结构的半导体量子点作为单光子发射源的特点，介绍了微腔与二能级系统的耦合以 及微腔量子电动力学基本原理。在弱耦合区，Purcell 效应导致微腔中量子点激子复合寿命 降低，因此可用微腔来改善量子点单光子发射效率。文章总结了近年来在半导体微腔增强 量子点单光子发射领域的进展，探讨了分布式布拉格反射微腔、柱状微腔和光子晶体微腔 等结构对改善半导体量子点单光子发射和收集效率、光子极化以及光子全同性等方面的作 用，并对未来半导体量子点单光子源的发展进行了展望。