퀀텀 도트 단일 포톤 소스

퀀텀 도트 단광원은 광학 공동에 배치된 단일 퀀텀 도트에 기초한다.주문형 싱글 포토톤 소스가 된다.레이저 펄스는 양자점 안에서 엑시톤으로 알려진 한 쌍의 캐리어를 흥분시킬 수 있다.자발적 방출로 인해 단일 엑시톤이 붕괴되면 단일 광자가 방출된다.exiciton들 간의 상호작용 때문에, 퀀텀닷이 하나의 exiciton을 포함할 때의 방출은 퀀텀닷이 둘 이상의 exiciton을 포함할 때와는 정력적으로 구별된다.따라서 하나의 엑시톤은 레이저 펄스에 의해 결정적으로 생성될 수 있고 양자점은 광자를 하나씩 방출하여 광자 항균을 보이는 비전통 광원이 된다.단일 광자의 방출은 두 번째 순서 강도 상관 함수를 측정하여 증명할 수 있다.방출된 광자의 자발적 방출 속도는 광학 공동에 양자점을 통합함으로써 향상될 수 있다.또한, 이 공동은 잘 정의된 광학 모드에서 방출로 이어져 광자원의 효율을 높인다.

역사

21세기 초부터 양자정보과학에 대한 관심이 높아지면서, 다양한 종류의 단포톤 원천에 대한 연구가 증가하고 있었다.1985년 처음 보고된 예고된 광자 소스^[1] 등 초기 단일광자 소스는 비결정적 프로세스에 기반한다.퀀텀닷 싱글포톤 소스는 주문형이다.마이크로디스크 구조에서 퀀텀닷에 기반한 단일광자원이 2000년에 보고되었다.^[2]그 후 광 결정이나^[3] 마이크로필러와 같은 다른 구조물에 공급원이 내장되었다.^[4]분산형 브래그 리플렉터(DBR)를 추가하면 명확한 방향으로 배출이 가능하고 배출 효율도 높아졌다.^[5]대부분의 퀀텀닷 싱글포톤 선원은 극저온에서 작동해야 하는데,이는여전히 기술적 난제다.[5]또 다른 과제는 광통신 애플리케이션용 통신 파장에서 고품질 퀀텀닷 싱글포톤 소스를 실현하는 것이다.^[6]품질계수가 2,000인 2차원 광결정 캐비티에서 통신파장 양자점(Purcell-hanged single-photon) 방출에 대한 첫 번째 보고서는 방출율의 향상과 강도가 각각 5배, 6배 향상되었음을 보여준다.^[7]

단광원 실현 이론

발랑 대역에서 전도 대역에 이르는 반도체의 전자를 흥분시키면 흥분 상태, 이른바 엑시톤이 생긴다.이 흥분제의 자발적 복사 붕괴는 광자를 방출하는 결과를 낳는다.양자점은 별개의 에너지 수준을 가지고 있기 때문에, 양자점에는 두 개 이상의 흥분제가 동시에 존재하지는 않는다는 것을 알 수 있다.따라서 양자점은 단일 광자의 방출체다.좋은 단일 광원을 만들기 위한 핵심 과제는 양자점으로부터의 방출이 효율적으로 수집되도록 하는 것이다.그러기 위해 양자점은 광학 공동에 놓이게 된다.예를 들어, 공동은 마이크로필라(microillar)에 있는 두 개의 DBR로 구성된다(그림 1).이 공동은 잘 정의된 광학 모드(Purcell effect)에서 자발적 방출을 강화하여 광섬유로의 효율적인 방출을 용이하게 한다.또한 감소된 exciton 수명 $\Delta {\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle \Delta t}($그림 2 참조)은 소음으로 인한 선폭 확대의 중요성을 감소시킨다.

이 시스템은 Jaynes-Cummings 모델에 의해 대략적으로 추정될 수 있다.이 모델에서 퀀텀 점은 하나의 광학 공동 모드와만 상호작용한다.광학 모드의 주파수는 잘 정의되어 있다.이것은 광자의 양극화가 편광기에 의해 정렬되면 광자를 구별할 수 없게 한다.Jaynes-Cummings Hamiltonian의 해결책은 진공 라비 진동이다.엑시톤과 상호작용하는 광자의 진공 라비 진동은 엑시톤-폴라리톤으로 알려져 있다.

두 광자가 동시에 방출될 확률을 제거하려면 한 번에 캐비티 안에 하나의 엑시톤만 있을 수 있는지 확인해야 한다.양자점 내의 이산 에너지 상태는 오직 하나의 흥분만을 허용한다.게다가, 라이드버그 봉쇄는 같은 공간에 두개의 엑시톤이 있는 것을 막는다...^[8]이미 존재하는 엑시톤과의 전자기적 상호작용은 같은 공간에 또 다른 엑시톤을 생성하기 위한 에너지를 약간 변화시킨다.펌프 레이저의 에너지가 공명에 맞춰 튜닝되면 두 번째 엑시톤을 만들 수 없다.그래도 양자점에는 두 개의 배설물이 동시에 있을 확률은 작다.작은 책 속에 갇힌 두 개의 엑시톤을 '빅시톤'이라고 부른다.그들은 서로 교류하고 따라서 에너지를 약간 바꾼다.비익시톤이 쇠퇴하여 생기는 광자는 엑시톤이 쇠퇴하여 생기는 광자와는 다른 에너지를 가지고 있다.그것들은 나가는 빔이 광학 필터를 통과하게 함으로써 걸러질 수 있다.^[9]양자점은 전기적으로나 광학적으로나 흥분할 수 있다.^[5]광학 펌핑의 경우 펄스 레이저를 사용하여 양자점을 생성할 수 있다.익시턴 생성 확률이 가장 높기 위해 펌프 레이저를 공명에 맞춰 조정한다.^[10]이것은 Bloch 구의 $on{\displaystyle }$ ${\displaystyle \pi$} -pulse와$$ 닮았다.그러나 이렇게 해서 방출되는 광자는 펌프 레이저와 동일한 주파수를 갖는다.그들을 구별하기 위해서는 편광기가 필요하다.^[10]캐비티에서 나오는 광자의 양극화 방향이 랜덤하기 때문에 방출되는 광자의 절반이 이 필터에 의해 차단된다.

실험실현

단광원 역할을 할 수 있는 양자점-캐비티 시스템을 실현하는 방법에는 여러 가지가 있다.대표적인 캐비티 구조는 마이크로필러, 광결정 캐비티 또는 튜닝 가능한 마이크로케이블이다.캐비티 안에서는 다양한 종류의 양자점을 사용할 수 있다.가장 널리 사용되는 유형은 스트란스키-크라스타노프 성장 모드에서 자생한 InAs 양자점이지만, 국부 방울 에칭 등 다른 재료와 성장 방법이 사용되어 왔다.다양한 실험 현실화의 목록은 다음과 같다.

• 마이크로필러:이 접근법에서, 양자 점은 두 개의 분산된 허풍 반사체(DBR 미러) 사이에 자란다.DBR은 일반적으로 분자 빔 에피택시(MBE)에 의해 성장한다.거울의 경우 서로 다른 굴절 지수를 가진 두 재료가 번갈아 재배된다.격자 매개변수는 변형 방지를 위해 일치해야 한다.가능한 조합은 알루미늄 비소와 갈륨 비소 레이어의 조합이다.^[10][13]첫 번째 DBR 이후 대역 간격이 작은 소재를 사용해 첫 번째 DBR 위 퀀텀닷을 키운다.이제 DBR의 두 번째 층은 양자 점으로 층 위에서 자랄 수 있다.기둥의 지름은 폭이 몇 미크론밖에 되지 않는다.광학 모드가 캐비티에서 빠져나가지 않도록 하려면 마이크로필러가 도파관 역할을 해야 한다.반도체는 보통 n≅3 정도의 굴절 지수가 비교적 높다.^[14]따라서, 그들의 추출 원뿔은 작다.매끄러운 표면에서 마이크로필라는 거의 완벽한 도파관 역할을 한다.그러나 벽이 거칠어지고 마이크로필라 직경이 줄어들면서 손실이 증가한다.^[15]따라서 가장자리는 손실을 최소화하기 위해 가능한 한 매끄러워야 한다.이것은 전자 빔 석판법으로 샘플을 구조화하고 반응성이 있는 이온 식각으로 기둥을 가공함으로써 달성할 수 있다.^[9]

• 양자점을 호스트하는 튜닝 가능한 마이크로 캐비티는 단일 포톤 소스로도 사용될 수 있다.^[16]마이크로필러에 비해 단 하나의 DBR만이 양자점 아래에서 자란다.캐비티의 두 번째 부분은 반도체에서 물리적으로 분리되어 있는 커브드 탑 미러다.Top-mirror는 필요에 따라 캐비티 양자점 커플링을 조정할 수 있는 양자점 위치를 기준으로 이동할 수 있다.마이크로필러에 비해 더 큰 장점은 다이오드 구조를 이용해 양자점의 충전 환경을 안정시킬 수 있다는 점이다.^[17]마이크로캐비티 시스템의 단점은 전체 시스템 크기를 증가시키는 캐비티를 조정하기 위해 추가적인 기계적 구성 요소가 필요하다는 것이다.

• 마이크로렌즈 및 솔리드몰입렌즈:퀀텀 도트 단일 광원의 밝기를 높이기 위해 마이크로렌즈 구조도 사용됐다.^[18]고체몰입렌즈로 달성할 수 있는 것과 유사한 내부반사로 인한 총체적 손실을 줄이는 개념이다.^[19]

• 다른 단일 광자원은 양자점을 포함하는 나노빔 또는 광결정 도파관이다.그러한 구조물의 경우 DBR은 필요하지 않지만 아웃커플링 효율을 개선하기 위해 사용할 수 있다.마이크로필러에 비해 이 아키텍처는 광자의 온칩 라우팅이 가능하다는 장점이 있다.^[23]반면에, 구조 크기는 훨씬 더 작아서 더 진보된 나노 조립 기술을 필요로 한다.양자점들이 표면에 근접하는 것은 더 큰 도전이다.

단일 광자의 방출 확인

단일 광자원은 항균 작용을 보인다.광자가 한 번에 하나씩 방출되기 때문에 이상적인 선원에 대해 두 광자를 동시에 볼 확률은 0이다.광원을 antibunching하는지 확인하기 위해서 한}. g이상적인 단일 광자원, g(2) 들어(0){\displaystyle g^{(2)}(0)}≤ g(2)(τ){\displaystyle g^{(2)}(\tau)}.[24](2) 광자원antibunched은 g(2)(τ){\displaystyle g^{(2)}(\tau)이 자기 상관 함수를 측정할 수 있다. (${\displaystyle 0}$)${\displaystyle }$= ${\displaystyle 0}$ ${\displaystyle g^{(2)}(0)=0$ 실험적으로 $g{\displaystyle {}^{}}$( 2${\displaystyle {}^{}}$) (${\displaystyle {}^{}\tau }$) ${\displaystyle g^{(2)}(\tau )}$은 Hanbury Brown 및 Twiss 효과를 사용하여 측정한다$$.공명 흥분 체계를 사용하여 $g{\displaystyle {}^{}}$( ${\displaystyle 2^{}}$)${\displaystyle {}^{}}$( ${\displaystyle 0}$) ${\displaystyle$ g$^{(2)}(0)}$에 대한 실험 값은 일반적으로$$ 몇 퍼센트 밖에 되지 않는다.^[10][13]$g{\displaystyle {}^{}}$ (${\displaystyle 2^{}}$)${\displaystyle {}^{}}$( ${\displaystyle 0}$)까지의${\displaystyle \mathrm{값}}$= ${\displaystyle 7.}$5 ${\displaystyle {\times }^{}}$ ${\displaystyle {10}^{}}$ - 5$${\$displaystyle g^{(2$)}(0$)=7.$$5\$cH10^{-$5} 공진$ 흥분 없이 도달했다$$.^[25]

방출된 광자의 식별 불가능

응용 프로그램의 경우 단일 광자 소스에서 방출되는 광자를 구별할 수 없어야 한다.Jaynes-Cummings Hamiltonian의 이론적 해법은 양극화만 랜덤하게 나타나는 잘 정의된 모드다.광자의 양극화를 정렬시킨 후, 광자의 분광성을 측정할 수 있다.이를 위해 홍우만델 효과가 사용된다.두 개의 광자가 서로 다른 입력 채널에서 동시에 50:50 빔 스플리터로 들어가도록 준비된다.검출기는 빔 스플리터의 양쪽 출구에 배치된다.두 검출기 사이의 일치점을 측정한다.광자가 분간할 수 없으면 우연이 일어나서는 안 된다.^[26]실험적으로 거의 완벽히 분간할 수 없는 것이 발견된다.^[13][10]

적용들

양자 통신 과학에서는 단광자 원천이 매우 중요하다.그것들은 진짜 무작위 숫자 생성에 사용될 수 있다.^[5]빔 스플리터로 들어가는 단일 광자는 양자 불변성을 보인다.무작위 번호는 몬테카를로 방법을 사용한 시뮬레이션에서 광범위하게 사용된다.

더욱이, 양자암호법에서는 단일 광자원이 필수적이다.BB84^[27] 체계는 입증 가능한 안전한 양자키 분배 체계다.한 번에 한 개의 광자만 완벽하게 방출하는 광원으로 작동한다.노클론 정리 때문에 눈치채지 않고 도청이 일어날 수 없다.^[28]키를 쓰는 동안 양자 무작위성을 사용하면 암호 해독에 사용할 수 있는 키의 어떤 패턴도 막을 수 있다.

그것과는 별개로, 단일 광자 선원은 양자장 이론의 몇 가지 기본적인 성질을 시험하는 데 사용될 수 있다.^[1]

참고 항목

• 싱글 포토톤 소스
• 퀀텀 도트
• 광학 마이크로케이블티

참조