近日，浙江大学信电学院刘峰研究员团队在《Nature Communications》上发表题为 “Wavelength-tunable high-fidelity entangled photon sources enabled by dual Stark effects”的研究工作。

研究背景

构建大规模量子网络需要多个具有相同发射波长的纠缠光子源构成的量子中继器。外延生长的半导体量子点是确定性产生高保真度纠缠光子对的重要载体之一。然而，基于量子点的量子中继器在实际应用中面临着两个主要挑战：不同量子点的发射波长不均匀性及量子点各向异性产生精细结构劈裂引起的纠缠保真度降低。尽管量子点已经被证明可以产生高保真度的偏振纠缠光子对，也可以通过电场、磁场、应力等手段实现波长调谐。但迄今为止，同时实现大波长范围调谐以及高纠缠保真度的方案仍未能被实现。

研究亮点

联合AC Stark效应和量子限制Stark效应的混合调控方案

研究团队提出了一种新的混合调控方案。施加直流电场利用量子限制Stark效应调节荧光波长(图 1 c、d)，施加一束失谐的激光通过AC Stark效应补偿量子点激子精细结构劈裂(图 1 a、b)。

图1. 混合调控方案示意图。a-b. AC Stark效应调节精细结构劈裂的示意。c-d. 量子限制Stark效应调节发光波长的示意。

实验中，研究团队在双光子共振激发下测量了单个量子点在不同直流电场偏压下的荧光光谱，展示了约1 mV的激子波长调节范围(约为光子线宽的190倍)，并演示了量子点在不同发光波长下精细结构劈裂的消除(图2)。基于这种混合调节方案，团队实现了在整个激子波长调节范围内大于0.955的偏振纠缠保真度(图3)。

图2. 荧光波长与精细结构劈裂的独立调控。a. 不同偏压下的量子点激子、双激子荧光光谱。b 量子点的精细结构劈裂。c-h. 不同波长下的精细结构劈裂消除。

图3. 在不同波长下的光子偏振纠缠保真度。

多波长匹配的高性能量子点纠缠光源

在实现整个调谐范围内保持高纠缠保真度后，研究团队进一步演示了将多个高纠缠保真度的量子点光源调谐至共振(图4a-b，三个点的纠缠保真度分别为0.958(1)、0.928(2)、0.947(2))。这是实现基于量子点的量子中继、量子隐形传态等应用的重要基础。此外，研究团队还展示了与铷原子跃迁(85Rb)共振的量子点纠缠光源，并获得了0.919(3)的纠缠保真度(图4c-d)，这是实现量子点—铷原子量子存储器接口的关键步骤。

图4. 多个波长匹配的量子点纠缠光源。a. 三个具有相同激子波长的量子点的双光子共振荧光光谱。b. 不同量子点的纠缠保真度。c.室温下铷原子的饱和吸收光谱。d. 铷原子共振的量子点双光子共振荧光光谱。

总结

研究团队展示了结合AC Stark效应和量子限制Stark效应的调控方案，实现了对量子点激子精细结构劈裂和发光波长的独立调节。该工作向集成多个量子点纠缠光源的集成量子光学回路以及构建大规模量子网络迈近了重要的一步。

论文第一作者是浙江大学信电学院硕士研究生陈晨和博士研究生鄢军勇，通讯作者为浙江大学信电学院刘峰研究员。该工作的合作者还包括浙江大学金潮渊研究员、王大伟研究员、沙威研究员、蔡晗研究员、方伟副教授、林星研究员、徐兴奇博士、博士生王洁菲；中国科学技术大学霍永恒教授、刘润泽博士；中国科学院上海微系统与信息技术研究所张加祥研究员；之江实验室余倩倩博士；德国波鸿鲁尔大学Arne Ludwig 博士、Hans-Georg Babin博士和Andreas D. Wieck教授；德国汉堡大学的Christian Heyn教授。本工作受到国家重点研发计划、国家自然科学基金等经费资助。