[论文解读] GaAs quantum dots grown by droplet etching epitaxy as quantum light sources

Saimon Filipe Covre da Silva, Gabriel Undeutsch+7 more|arXiv (Cornell University)|Sep 3, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 110被引用 67

一句话总结

该论文展示了通过在GaAs(001)衬底上采用局部液滴蚀刻外延（LDE）方法生长的GaAs量子点可作为高性能单光子与偏振纠缠光子源，实现创纪录的光子不可区分性（93.0(8)％）与纠缠保真度（0.978(5)），在双光子激发下多光子发射概率极低（g(2)(0) = 0.00075(16)），使其成为可扩展量子通信与中继技术的理想选择。

ABSTRACT

This paper presents an overview and perspectives on the epitaxial growth and optical properties of GaAs quantum dots obtained with the droplet etching method as high-quality sources of quantum light. We illustrate the recent achievements regarding the generation of single photons and polarization entangled photon pairs and the use of these sources in applications of central importance in quantum communication, such as entanglement swapping and quantum key distribution.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、高质量的固态单光子与纠缠光子源，用于量子技术。
• 克服传统SPDC与InGaAs QD光源的局限性，如多光子发射与低纠缠保真度。
• 通过材料与器件工程实现接近统一的光子不可区分性与纠缠保真度。
• 利用GaAs QDs实现量子密钥分发、纠缠交换与量子中继器的实际应用。
• 通过优化材料质量与光子集成，确立GaAs QDs通过LDE生长作为未来光子量子网络的领先平台。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）在GaAs(001)衬底上通过局部液滴蚀刻（LDE）方法生长GaAs/AlGaAs量子点。
• 利用Al液滴在AlGaAs层中诱导纳米孔洞形成，通过As束流辅助蚀刻，随后进行GaAs外延生长以形成量子点。
• 应用应变调制与电荷可调器件，抑制闪烁现象，并将激子精细结构分裂（FSS）减小至接近零。
• 将量子点集成至圆形布拉格衍射光栅腔中，以增强光子收集效率与普尔效应，从而提高不可区分性。
• 采用共振光学激发与双光子激发（TPE）实现亚泊松发射，最小化多光子事件。
• 实施洪欧门（HOM）干涉测量，以测量来自两个远程量子点的光子之间的不可区分性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过LDE生长的GaAs QDs能否实现接近统一的纠缠保真度与极低的多光子发射概率？
• RQ2 通过材料质量与器件工程，远程GaAs QDs的光子不可区分性可被增强到何种程度？
• RQ3 低FSS、短激子寿命与电荷可调器件的结合能否抑制闪烁现象并实现高保真度量子操作？
• RQ4 将GaAs QDs集成至光子腔中，对光子收集效率与不可区分性有何影响？
• RQ5 GaAs QDs能否通过纠缠交换与自旋-光子接口，成为量子中继节点的可扩展平台？

主要发现

• 通过LDE生长的GaAs QDs在两个远程量子点之间实现了迄今最高的双光子干涉可见度（93.0(8)％），为固态发射器树立了新的技术标杆。
• 纠缠保真度达到0.978(5)，凹度为0.97(1)，为迄今为止任何量子点类型中最高，归因于极低的系综平均FSS与短激子寿命。
• 在双光子激发下，多光子发射概率测量值为g(2)(0) = 0.00075(16)，未进行背景扣除或时间滤波，表明接近理想的单光子发射。
• 光子对收集效率在宽带腔中达到0.65(4)，单光子收集效率达到0.85(3)，展示了面向实际集成的高效率。
• 在p-i-n二极管集成的QDs中，无论采用共振单光子还是双光子激发，闪烁现象均被完全抑制，实现了稳定运行。
• 理论与实验结果共同证实，由于低应变、大尺寸及长自旋相干时间的潜力，GaAs QDs是量子中继节点的有前途候选者。