Advanced Photonics | 基于纠缠的量子密钥分发新突破

基于III-V族半导体量子点的确定性纠缠光源是自发参量下转换纠缠光源的替代方案之一。特别是液滴外延生长的GaAs量子点，由于其极小的激子精细结构劈裂（<1μeV），约230 ps的激子寿命，以及接近0的多光子产生概率，使其保证最高亮度工作的同时达到近1的偏振纠缠保真度。利用这种纠缠光子源，研究人员已经在5K温度条件下，实现了量子比特误码率低于1.9% 的量子密钥分发实验。

然而，要使温度降到10K以下需要庞大的制冷设备。能否提高器件的工作温度，是这一器件能否走向实用的关键之一。此外，目前最佳性能的量子点纠缠光源通常需要采用双光子共振激发技术，以保证最优的纠缠保真度和较高的双激子态制备效率。

由于量子点中存在随机电荷捕获过程，双光子共振条件下的辐射往往呈现闪烁特性，导致较低的量子效率，从而降低器件的亮度，限制了密钥分发实验中的平均码特率。为了解决量子点闪烁的问题，研究人员将量子点嵌入到p-i-n二极管结构中以稳定量子点所处的电荷环境，在共振激发条件下实现了无闪烁的单光子辐射。然而这一方案在双光子共振激发条件下的有效性尚未得到验证。

图1 （a）p-i-n二极管结构示意图，（b）温度20K时，变偏压下的双光子共振的量子点荧光光谱，（c）0.3 V偏压下的双光子共振光谱图，可以看出激子和双激子的谱线以及残留的激发激光，（d）加和没加二极管结构的量子点的长延时二阶关联测试结果对比，可以看出加了二极管结构可以有效抑制因量子点闪烁带来的聚束效应，（e）偏压依赖的激子线峰位与量子效率曲线，可以看出该器件可以在0.2 nm调谐范围内保持接近1的量子效率

图2 （a）量子密钥分发装置示意图，（b）密钥生成过程中量子比特误码率，（c）原始密钥传输速率，（d）原始图片以及在Alice端加密之后的密钥，（d）在Bob端使用未纠错和纠错过的密钥进行解密之后恢复的图片

通过比较20 K和5 K温度下激子和双激子的衰变动力学过程，研究人员进一步确定了量子纠缠的退化机制。通过采用这一结构设计，结合电场调控和应力调控方案，相信在不久的将来有望实现性能接近全优、可工作在更复杂环境（如相对较高温度）中的半导体纠缠光子源。

作者简介

Armando Rastelli教授自2012年起，担任奥地利林茨约翰内斯·开普勒大学半导体和固态物理研究所半导体物理部门的负责人。2003年，在意大利帕维亚大学获得物理学博士学位，于期间在苏黎世联邦理工学院担任研究助理，并在芬兰坦佩雷理工大学担任玛丽·居里学者。2003至2007年，在德国斯图加特马克斯·普朗克研究所担任博士后，之后任小组负责人。2007年至2012年，在德国德累斯顿莱布尼兹研究所工作。目前的主要研究兴趣为优化GaAs量子点作为量子光源，并通过微结构压电致动器对其进行生长后调谐。近年来发表250余篇国际论文，引文超过8000篇，并受邀进行90余次演讲。

撰稿人简介

刘进，中山大学物理学院教授、2007年和2009年在华南师范大学获得理学学士和硕士学位(兰胜教授)，2012年在丹麦科技大学取得博士学位（Technical University of Denmark，Ph.D. with Peter Lodahl and Jesper Mork）。之后在美国国家标准与技术研究所（NIST）与Kartik Srinivasan博士合作开发集成光量子芯片，继续从事量子光学与半导体纳米加工的研究。2016年回国加入中山大学物理学院。目前的研究领域为基础量子光学，微纳光学。