用于生成单光子的器件及系统、固定单光子源方法

摘要

一种用于生成单光子的器件及系统、固定单光子源方法，该用于生成单光子的器件包括波导；谐振腔，位于所述波导上方；热敏聚合物，位于设置有所述谐振腔的所述波导上方；其中，所述热敏聚合物在小于温度阈值的条件下为亲水性，在不小于温度阈值的条件下为疏水性。该用于生成单光子的器件结构简单，且易于制造，简化了用于生成单光子的器件的制作工艺。

说明书

技术领域

本发明涉及量子信息设备技术领域，尤其涉及用于生成单光子的器件及系统、固定单光子源方法。

背景技术

量子信息科学是量子力学和信息科学技术结合的产物，包括量子密码、量子通信、量子计算、量子测量等，近年来，在理论和实验上都已经取得了重要突破。无论是量子通信还是量子计算，稳定的、高速率的单光子源都是必须解决的关键设备。单光子源是指在同一时刻仅仅发射一个光子的光源。

现有技术中，为了生成单光子，通常将发光材料砷化铟(InAs)与铝砷化铟(AlGaAs)量子点在生长时耦合入晶格结构近似的纳米线中。之后对发光材料进行激发后，其由于光致发光现象(Photoluminescence)产生自发辐射，释放等同于禁带能量的单个光子流。这些光子由于被束缚在类似于光波导的纳米线中，其具有特定的发光方向以及发光场分布。

上述方案中，将InAs与AlGaAs量子点生长到纳米线中需要较高的加工水平和较复杂的制作工艺。

发明内容

本发明实施例提供一种用于生成单光子的器件及系统，以及固定单光子源方法，用于简化用于生成单光子的器件的制作工艺，并通过简单的方法生成单光子。

第一方面，本发明实施例提供一种用于生成单光子的器件，包括：波导；谐振腔，位于所述波导上方；热敏聚合物，位于设置有所述谐振腔的所述波导上方；其中，所述热敏聚合物在小于温度阈值的条件下为亲水性，在不小于温度阈值的条件下为疏水性。可见该用于生成单光子的器件结构简单，且 易于制造，简化了用于生成单光子的器件的制作工艺。

可选地，所述谐振腔为表面等离子谐振腔。如此，可进一步提高位于谐振腔中的单光子的光强。可选地，所述谐振腔由两个金属件组成。如此，可进一步提高位于谐振腔中的单光子的光强。可选地，所述谐振腔由以下任一种形式形成：由分别位于两个三角形金属件的两个顶角相隔预设距离形成；由双金属纳米线相隔预设距离形成；由双金属纳米球相隔预设距离形成。如此，一方面可以更好的固定住位于谐振腔中的单光子，另一方面也可提高位于谐振腔中的单光子的光强。

可选地，用于生成单光子的器件还包括天线。天线位于所述波导上方、所述热敏聚合物下方；其中，所述谐振腔位于所述天线的馈电组件处。如此，在用于生成单光子的器件的谐振腔处产生的单光子可以在天线的馈电组件处沿着特定的方向传播，从而很好的控制了所产生的单光子的方向。进一步，将谐振腔放置于天线的馈电组件处，可以增强谐振腔处产生的当光子的光强。第三方面，由于将天线置于波导上方，因此天线可产生斜向下的光场，该光场进入波导，从而可更好的使在谐振腔处产生的单光子耦合入波导。可选地，所述天线为八木天线。如此，能够更好的控制单光子向着特定方向传播。

第二方面，本发明实施例提供一种在本发明实施例中任一种用于生成单光子的器件中固定单光子源的方法，包括：在用于生成单光子的器件上的谐振腔处照射激光；在所述热敏聚合物的表面流入携带单光子源的液体；其中，所述携带单光子源的液体中的单光子源的配位基为疏水性；其中，所述激光用于：使处于所述谐振腔内的温度升高，使所述热敏聚合物从亲水性转换为疏水性，并吸引所述携带单光子源的液体停留于所述谐振腔内。可见该用于生成单光子的器件结构简单，且易于制造，简化了用于生成单光子的器件的制作工艺。

可选地，所述携带单光子源的液体中的单光子源为胶体量子点或染料分子。如此，一方面本发明实施例中所使用的单光子源不需要苛刻的环境要求，比如要求极低的环境温度等等，从而简化了生成工艺；另一方面，可使携带 单光子源的液体在本发明实施例中所提供的用于生成单光子的器件的上表面进行流动，从而成功实现本发明实施例所提供的方案。

可选地，所述谐振腔的本振频率与所述单光子源的本振频率之间的差值小于共振频率阈值；所述用于生成单光子的器件中还包括的天线的本振频率与所述单光子源的本振频率之间的差值小于所述共振频率阈值。如此，谐振腔的本振频率与单光子源的本振频率较为接近，因此可在激光的作用下发生共振，从而增强单光子光强。且天线的本振频率与单光子源的本振频率较为接近，因此可在激光的作用下发生共振，从而增强单光子光强。

第三方面，本发明实施例提供一种单光子生成系统，包括本发明实施例提供的任一种所述的用于生成单光子的器件，激光器和液体流入装置，其中：所述激光器用于在所述用于生成单光子的器件上的谐振腔处照射激光；所述液体流入装置用于在所述热敏聚合物的表面流入携带单光子源的液体；其中，所述携带单光子源的液体中的单光子源的配位基为疏水性；其中，所述激光用于：使处于所述谐振腔内的温度升高，使所述热敏聚合物从亲水性转换为疏水性，并吸引所述携带单光子源的液体停留于所述谐振腔内，并使停留于所述谐振腔内的所述携带单光子源的液体在所述激光的照射下发出单光子，所述单光子被耦合至所述波导内部传输。

本发明实施例中，用于生成单光子的器件包括波导；谐振腔，位于所述波导上方；热敏聚合物，位于设置有所述谐振腔的所述波导上方；其中，所述热敏聚合物在小于温度阈值的条件下为亲水性，在不小于温度阈值的条件下为疏水性。可见该用于生成单光子的器件结构简单，且易于制造，简化了用于生成单光子的器件的制作工艺。

进一步，基于该用于生成单光子的器件生成单光子时，仅使用在用于生成单光子源的器件上的谐振腔处照射激光；在所述热敏聚合物的表面流入携带单光子源的液体即可。由于所述携带单光子源的液体中的单光子源的配位基为疏水性。因此在谐振腔处照射激光可使处于所述谐振腔内的温度升高，使所述热敏聚合物从亲水性转换为疏水性，并吸引所述携带单光子源的液体 停留于所述谐振腔内，并使停留于所述谐振腔内的所述携带单光子源的液体在所述激光的照射下发出单光子，所述单光子被耦合至所述波导内部传输。可见，本发明实施例中通过简单的方法生成单光子，且实现了单光子与波导的耦合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍。

图1为本发明实施例提供的一种用于生成单光子的器件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的制备用于生成单光子的器件的方法步骤示意图；

图3为本发明实施例提供的制备用于生成单光子的器件的方法步骤示意图；

图4为本发明实施例提供的制备用于生成单光子的器件的方法步骤示意图；

图5为本发明实施例提供的制备用于生成单光子的器件的方法步骤示意图；

图6为本发明实施例提供的制备用于生成单光子的器件的方法步骤示意图；

图7为本发明实施例提供的图6中方向A的示意图；

图8为本发明实施例提供的一种在用于生成单光子的器件中固定单光子源的方法；

图9为本发明实施例提供的一种单光子生成系统的结构示意图；

图10为本发明实施例提供的图9中方向A的示意图；

图11为本发明实施例中单光子在谐振腔内的光强和在自由空间中的光强的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施中，在很多领域，稳定的、高速率的单光子源都是必须解决的关键设备。具体来说，在量子通信领域中，可将生成的单光子作为量子比特，在自用空间或光纤中传输，其中单光子光源的质量对密钥产率，光子相干度等方面有着决定性的影响。在量子计算领域，可使用单个或纠缠光子的线性作用进行大量并行运算，其中，单光子光源能否产生“确定(on-demand，即非概率产生的)”的光子，是量子计算能否成功的前提之一。在计量学方面，可使用单光子进行生物样品的超衍射极限成像，其中，单个光子的亮度，单色性等特征也对成像质量起着决定性的影响。在基础实验方面，量子力学中的贝尔不等式验证，引力波的搜寻等方面，单光子也起着巨大的作用。

基于上述轮询，本发明实施例中提供一种用于生成单光子的器件及系统，以及固定单光子源方法，用于简化用于生成单光子的器件的制作工艺，并通过简单的方法生成单光子。

图1示例性示出了本发明实施例提供的一种用于生成单光子的器件的结构示意图，如图1所示，该用于生成单光子的器件，包括：波导102；谐振腔103；热敏聚合物105。

其中，谐振腔103位于所述波导上方；热敏聚合物105位于设置有所述谐振腔103的所述波导102上方；其中，所述热敏聚合物105在小于温度阈值的条件下为亲水性，在不小于温度阈值的条件下为疏水性。温度阈值为一温度值，可根据具体的操作环境来确定。

可选地，所述谐振腔为表面等离子谐振腔。可选地，所述谐振腔由两个金属件组成。可选地，所述谐振腔由两个纳米金属件组成。如此，可进一步提高位于谐振腔中的单光子的光强。

可选地，所述谐振腔由以下任一种形式形成：由分别位于两个三角形金 属件的两个顶角相隔预设距离形成；由双金属纳米线相隔预设距离形成；由双金属纳米球相隔预设距离形成。具体来说，谐振腔可由两个部件组成，两个部件之间相隔预设距离，比如两个三角形的两个尖角之间相隔预设距离，此时该两个部件即可形成谐振腔，具体可参见图7所示的谐振腔103。再比如由两个双金属纳米线的顶端相隔预设距离形成；再比如由双金属纳米球相隔预设距离形成。如此，一方面可以更好的固定住位于谐振腔中的单光子，另一方面也可提高位于谐振腔中的单光子的光强。

本发明实施例中，在热敏聚合物的作用下，在谐振腔处产生单光子，并导入波导内部。可见该用于生成单光子的器件结构简单，且易于制造，简化了用于生成单光子的器件的制作工艺。

可选地，为了更好的控制单光子的方向，用于生成单光子的器件中还包括：天线，位于所述波导上方、所述热敏聚合物下方；其中，所述谐振腔位于所述天线的馈电组件处，即在天线的馈电组件处使用谐振腔，也就是说，谐振腔构成了天线的馈电组件。如此，在用于生成单光子的器件的谐振腔处产生的单光子可以在天线的馈电组件处沿着特定的方向传播，从而很好的控制了所产生的单光子的方向。进一步，在天线的馈电组件处使用谐振腔结构，可以增强谐振腔处产生的单光子的光强。第三方面，由于将天线置于波导上方，因此天线可产生斜向下的光场，该光场进入波导，从而可更好的使在谐振腔处产生的单光子耦合入波导。

可选地，天线种类可有多种，只要能够控制单光子向着特定方向传播即可，优选地，所述天线为八木天线。

基于上述描述，本发明实施例提供一种制备上述用于生成单光子的器件的方法，图2、图3、图4、图5和图6示出了制备上述用于生成单光子的器件的方法步骤示意图：

第一，如图2所示，先制备衬底101；

第二，在衬底101上制备一层波导102，如图3所示；

第三，如图4所示，在波导102上制作谐振腔103，可选地，可使用互补 金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)工艺制备谐振腔103；

第四，可选地，如图5所示，在波导102上方制作天线104。可选地，可使用CMOS工艺制备天线104。谐振腔103位于天线104的馈电组件处。即使用谐振腔103替换天线104的馈电组件；

第五，在结构表面覆盖一层热敏聚合物105，如图6所示。所述热敏聚合物在小于温度阈值的条件下为亲水性，在不小于温度阈值的条件下为疏水性。具体来说，热敏聚合物105有多种材料可选地，比如聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)，该材料在高于特定温度(如32℃)时会由亲水性变为疏水性。

图7示例性示出了本发明实施例提供的图6中方向A的示意图，如图7所示，谐振腔103为一个蝶形，即由两个三角形金属件的两个尖角之间相隔预设距离形成。图7所示的天线为八木天线。

基于上述内容，图8示例性示出了本发明实施例还提供一种在用于生成单光子的器件中固定单光子源的方法，如图8所示，包括：

步骤801，在用于生成单光子的器件上的谐振腔处照射激光；

步骤802，在热敏聚合物的表面流入携带单光子源的液体；其中，携带单光子源的液体中的量子点的配位基为疏水性；其中，激光用于：使处于谐振腔内的温度升高，使热敏聚合物从亲水性转换为疏水性，并吸引携带单光子源的液体停留于谐振腔内。

可见，通过上述步骤801和步骤802即可将单光子源固定在谐振腔处，解决了现有技术无法固定单光子源的问题，进而为控制单光子的方向提供了基础。

可选地，所述天线的本振频率与所述单光子源的本振频率之间的差值小于共振频率阈值，如此，天线的本振频率与单光子源的本振频率较为接近，因此可在单光子源发光的情况下发生共振，从而单向引导单光子发射。可选地，所述谐振腔的本振频率与所述单光子源的本振频率之间的差值小于共振频率阈值。如此，谐振腔的本振频率与单光子源的本振频率较为接近，因此 可在激光的作用下发生共振，从而增强单光子光强。

本发明实施例中，一种可选地的用于确定谐振腔与天线的材料的方式为：根据单光子源所处的波段确定谐振腔和天线材料。比如，当激光的波段处于可见光至近红外范围内时，则谐振腔和天线均可使用金，银，铜或铝等材料。当激光的波段处于中红外波段时，谐振腔和天线也可用高度掺杂的半导体。可选地，谐振腔和天线的材料可相同也可不同。在选择谐振腔和天线的材料时，尽可能的使谐振腔、天线和单光子源产生共振，即使谐振腔、天线和单光子源发出的单光子的本振频率相同，从而可增强单光子的光强。可选地，可通过改变天线的尺寸来改变天线的本振频率。

可选地，进一步，使用激光照射谐振腔处，从而使停留于所述谐振腔内的所述携带单光子源的液体中的单光子源在所述激光的照射下发出单光子，所述单光子被耦合至所述波导内部传输。

可选地，所述携带单光子源的液体中的单光子源为胶体量子点或染料分子。或者携带单光子源的液体中的单光子源为通过其它化学手段合成的单光子源。可选地，所述胶体量子点为Ⅱ-Ⅵ族量子点，比如硒化镉(CdSe)、硫化锌(ZnS)等。携带单光子源的液体中的单光子源不仅限于Ⅱ-Ⅵ族量子点，也可为其它的半导体量子点。如此，一方面本发明实施例中所使用的单光子源不需要苛刻的环境要求，比如要求极低的环境温度等等，从而简化了生成工艺；另一方面，可使携带单光子源的液体在本发明实施例中所提供的用于生成单光子的器件的上表面进行流动，从而成功实现本发明实施例所提供的方案。

具体实施中，单光子源为半导体量子点时，由于半导体量子点尺寸极小，直径几个纳米(nm)至十几个nm，在三维方向上束缚电子的波函数导致其在量子点中具有分立的能级，因此半导体量子点可被用作产生类似于原子的双能级系统。使用具有适当波长的泵浦光激发半导体量子点中的电子，可使其从低能级跃迁至高能级。当电子回到低能级时，其会释放出一个固定能量的光子。因此，此种半导体量子点可作为“确定性”单光子源，即只要照射泵 浦脉冲，其就会释放出单个光子。

本发明实施例中，可对携带单光子源的液态中包括的单光子源的配位基进行灵活的改变，比如将携带单光子源的液体中的单光子源的配位基设置为疏水性。

基于同一构思，图9示例性示出了一种单光子生成系统的结构示意图，如图9所示，该系统包括用于生成单光子的器件，激光器110和液体流入装置111，其中：

所述激光器110用于在所述用于生成单光子的器件上的谐振腔103处照射激109光；所述液体流入装置111用于在所述热敏聚合物105的表面流入携带单光子源的液体106；其中，所述携带单光子源的液体106中的单光子源107的配位基为疏水性；其中，所述激光109用于：使处于所述谐振腔103内的温度升高，使处于激光在照射区域的所述热敏聚合物从亲水性转换为疏水性，并吸引所述携带单光子源的液体106停留于所述谐振腔103内。

可选地，热敏聚合物受激改变的性质包括但不限于亲水性、化学键等物理或化学性质。即，热敏聚合物在温度的变化下，会由亲水性变为疏水性。热敏聚合物也可具有其它可改变的物理或化学性质等等。只要能在热敏聚合物性质改变后可以吸附单光子源，而性质改变之前不能吸附单光子源即可。

进一步，可选地，需要使用所述用于生成单光子的器件生成单光子时，可用能量大于光子源禁带能量的激光照射固定于所述谐振腔中心的单光子源，使其发射单光子，所述单光子被耦合至所述波导内部传输。

图10示例性示出了本发明实施例中图9中方向A的示意图，下面结合图9和图10进行详细的描述。

如图9所示，用激光器110发出的激光109照射谐振腔103上方，如图10所示，激光照射区106覆盖了谐振腔103。之后，液体流入装置111中承载携带单光子源的液体106，将液体流入装置111中承载的携带单光子源的液体106倾倒入用于生成单光子的器件上，具体来说，倒入所述热敏聚合物105的表面。可选地，从谐振腔103的左侧倒入携带单光子源的液体106，使携带 单光子源的液体106流经整个整个用于生成单光子的器件的上表面，并部分从右侧又流出。可选地，可以使从用于生成单光子的器件的上表面流出的携带单光子源的液体106流入一个回收桶中，用于再次循环使用。

可选地，谐振腔为表面等离子谐振腔，由于等离子表面的等离子体共振，谐振腔的纳米金属的尖端会产生局域增强作用。置于其中的单光子源中的电子会产生珀塞耳效应(Purcell effect)效应(即电子在高低能级跃迁的弛豫时间会大大降低)，进一步增强了单光子源的亮度。

可选地，激光109照射在谐振腔103的上方。如图10所示，当激光109照射在谐振腔103时，谐振腔103的中心由于电场的局域增强，会使温度在极小空间范围内升高，从而导致谐振腔103中的热敏聚合物105从亲水性转换为疏水性。由于单光子源的配位基也是疏水性，当携带单光子源的液体106流经谐振腔103时，里面的单光子源会被吸附在谐振腔103中。由于激光加热范围极小，且在激光照射区106之外的热敏聚合物105仍旧为亲水性，因此流经亲水性的热敏聚合物的携带单光子源的液体沿着用于生成单光子的器件的上表面流走。可选地，激光照射范围较小,且谐振腔也较小，位于谐振腔中被吸引的单光子的数量可为一个。可见，通过本发明实施例所提供的方案，准确的控制了单光子源的位置，即将其固定于谐振腔内。

进一步，本发明实施例中，可选地，谐振腔和谐振腔中固定的单光子源位于天线的馈电组件处，在激光照射下，单光子源会产生单光子，单光子在天线的作用下，沿着特定的方向传播，从而达到了控制单光子传播方向的目的，如图10所示，单光子108会沿着天线的右侧传播。

进一步，由于波导102的折射率高于周围介质的折射率，因此从谐振腔中产生的单光子会被束缚于折射率较高的波导102中，从而实现了单光子和波导的耦合。

本发明实施例中，该用于生成单光子的器件结构简单，且易于制造，简化了用于生成单光子的器件的制作工艺。

第二，可通过该用于生成单光子的器件将单光子源固定在谐振腔处，实 现了固定单光子的目的。

第三，使用能量大于单光子源禁带能量的激光照射单光子源，由于谐振腔的珀塞耳效应(Purcell effect)，进一步增强了单光子源的光强。图11示例性示出了本发明实施例中单光子在谐振腔内的光强和在自由空间中的光强的示意图，如图11所示，在激光的激发强度一定的情况下，单光子在谐振腔内的光强远远大于该单光子在自由空间中的光强。

第四，在天线的作用下，使单光子源所产生的单光子沿着特定的方向传输，达到了固定单光子方向的目的。

第五，本发明实施例所提供的用于生成单光子的器件可成功将单光子耦合入波导。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。