微腔与单量子点耦合单光子发射量子相干探测及器件制备

In this project, we have proposed to start the second stage of study on InAs single quantum dots (QDs) coupled with semiconductor microcavities for quantum coherent detection and device fabrication of single photon source (SPS). The main researches will focus on finding new methods of extending emission wavelength and site controlled growth of QDs to realize controllable fabrication for coupled structures of nanowires and nano surface plasmons with single QDs, and to obtain the high Q microcavities with small mode volume. The enhancement mechanisms of coupling effects of surface plasmons to single QDs will be investigated to get optimized designs of microcavity structures for improving efficiency of single photon collection. The quantum coherent manipulation for single photons based on resonance fluorescence technique will be developed and the second order correlation spectroscopy for long wavelength SPS detection will be perfected. The mission of this project is to build up physical groundwork and technology solution for developing solid state integration SPS devices and quantum coherent detection techniques.

本项目基于前期研究基础，提出进一步开展半导体微腔与单InAs量子点耦合单光子量子态相干探测物理效应、高品质长波长单光子发射器件制备研究。通过开拓量子点有序定位和发光波长拓展新方法，实现纳米线与单量子点耦合、纳米等离激元与单量子点耦合结构的可控制备，获得小模式体积、高品质因子微腔与单量子点的精确耦合。研究纳米表面等离激元各项异性耦合效应改善单光子发射机理，获得提升单光子发射收集效率的微腔耦合优化结构。建立共振荧光单光子量子相干操纵技术，完善长波段单光子二阶关联光谱检测技术。本项目研究将为发展固态集成化单光子源器件和量子相干探测技术提供物理基础和技术方案。

单光子量子光源是量子通信、量子计算、量子测量等量子科技领域十分关键的量子器件，基于半导体量子点的固态量子光源是具有可实用化前景的理想体系。单量子点与光学谐振腔耦合效应是实现可控单光子发射的核心机制。本项目研究突破了量子点的外延生长、DBR光学谐振腔中心波长调控和材料外延技术。深入研究了单光子量子态相干探测物理效应、高品质长波长单光子发射器件制备。建立共振荧光单光子量子相干操纵技术，完善长波段单光子二阶关联光谱检测技术。基于量子点单光子实现了量子态可恢复存储，首次实现量子点与固态量子存储器两种不同固态系统之间的对接，实现100个时间模式的多模式量子存储，模式数创造世界最高水平。开拓了量子点发光波长拓展新方法，实现纳米线与单量子点耦合结构的可控制备，获得小模式体积、高品质因子微腔与单量子点的精确耦合。研究了耦合效应改善单光子发射机理，获得了1.31光纤通信波段的单光子器件，发射速率超过1MHz的国家先进水平。采用光纤耦合输出提升了单光子收集效率，为量子信息技术应用提供了固体单光子源器件的解决方案。