王雪华教授团队制备出国际上最亮的轨道角动量单光子源

光子的轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)能够形成一个无限维完备的Hilbert空间，是一种具有无限维度的独特物理自由度。在信息处理中，光子的轨道角动量可以大幅度增加经典和量子信息处理的容量。具有轨道角动量的单光子源是高维量子信息处理的关键器件。迄今为止，产生携带轨道角动量的单光子都是由非线性过程概率性的产生，且效率很低，成为制约高维量子信息处理的主要瓶颈。

为克服上述挑战，中山大学物理学院王雪华、刘进教授团队提出将单量子点嵌入角向光栅微环谐振腔中的微纳集成量子光源结构，使量子点与具有轨道角动量的微腔模式实现高效耦合，增强量子点的发光效率和角向光栅对单光子的向上散射。实验制备的关键在于是否能把量子点精确定位在微腔的最佳位置，他们通过前期研究“三高”量子纠缠光子源【Nature Nanotechnology, 14, 586 (2019)】所发展的定位精度达10纳米的荧光成像精确定位技术和微纳加工制备技术，实现了量子点在角向光栅微环谐振腔中的精确定位，在国际上制备出光源亮度达0.23(4)的最亮芯片式触发轨道角动量单光子发射器件，如图所示。

图. 嵌入量子点的微环谐振腔产生携带OAM量子叠加态的单光子源示意图及样品实物图

该研究工作是首次在芯片上实现携带轨道角动量的单光子发射，为推进量子光源性能的按需调控和高维量子信息处理迈出了非常重要的一步。此外，该器件与半导体加工工艺兼容，具有器件尺寸小，可集成、可扩展的优势。

该成果于2021年1月11日以“Bright solid-state sources for single photons with orbital angular momentum”为题在线发表在Nature Nanotechnology期刊上，中山大学陈波博士后和韦玉明博士后为共同第一作者，刘进教授和王雪华教授为共同通讯作者。该研究得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省重点领域研发计划、广东省自然科学基金、广州市科技计划、高校基础科研业务费等项目以及国家超级计算广州中心的大力支持。（文/中山大学）