Nature Nanotech. 半导体光子分类器

东芝欧洲研究有限公司剑桥实验室和剑桥大学的研究人员近日在单光子分类和筛选问题上获得突破。在单个光子水平上获取大量的非线性效应是一个重大挑战，这对于量子光学测量和信息处理等有着巨大的潜在价值。随着近几年的发展，最靠谱的方法之一是从量子发射器散射相干光，在光子上印记量子相关性。作者报道了光子间有效的相互作用，通过利用与单片集成腔微弱耦合的单一半导体量子点进行控制。作者发现，转变的非线性改变了泊松分布光束的计数统计，按数量对光子进行分类。这被用于在检测对象之间创立强相关性，以及使用单一旋转从非相关光创建偏振相关光子。这一发现为可通过单量子光控制的半导体光学开关，铺设了道路。

图1 使用二级系统（TLS）控制单个光子

A, 发射器能级图。当弱的非线性光学泵Pn导致在点阵中捕获孔洞时，共振场Ω仅与在h+和X+之间的转变耦合。
B, 系统示意图。单一转变（绿色）能够通过导引控制传输和反射。
C, 计算所得的电场转变的实部（黑色）和虚部（红色）与能量解谐存在函数关系。

图2 不经过偏振过滤的共振荧光

A, 实验装置示意图。
B, 在11K和240pW的入射功率下，收集不经过偏振过滤的光自相关直方图g(2)(t)。
C&D, 强度扫描与Δ的函数关系。空心圆：基态中存在电荷；实心圆：没有电荷。收集偏振与驱动场平行（C）/与驱动场垂直（D）。

图3 用数量进行光子分类

A, 输入偏振和检测极相当时的收集强度。红色，基态中存在载体；黑色，基态中没有载体。
B, 相同测量值的计算结果。
C&D, 相同条件下的实验（C）和模拟（D）结果，收集偏振设置为屏蔽腔洞的反射光。
E&F, 实验（E）和模拟（F）的光子统计数值，g(2)(t)，与Δ呈函数关系。
G-L, 单个光子的自相关测量。在Δ为固定值：-8.7μeV（G,H），+2.1μeV（I,J），+6.8μeV（K,L）时。

图4 通过具有单一旋转的偏振进行光子分类

A, 两个简并转变散射得到水平的（H）偏振输入，每个转变与不同的基态孔璇相耦合。散射光子偏振由这种旋转决定。
B, 偏振关联性测量。散射光子常规圆偏（蓝色）和正交圆偏（黑色），偏振关联程度用粉色表示。

小结:
作者成功地利用光子数量和偏振，对单量子点阵的弱相干光束的非线性反射进行了研究。作者发现，转变中产生的相干散射光产生了光子间的相互作用，能够产生强关联光子而不需要施加强耦合场或强光场。并且作者实现了依据数量和偏振对光子进行分类和筛选。

参考原文链接：A semiconductor photon-sorter (Nature Nanotech.  2016，DOI:10.1038/NNANO.2016.113)

本文由编辑部提供素材，李卓整理编译。

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