光量子網絡近年來在量子信息處理和傳輸領域中得到了廣泛的關注。光子作為飛行量子比特，具有相干時間長、傳播距離遠、易于操縱和檢測等優(yōu)點，可以通過連接靜態(tài)比特（如量子點）實現(xiàn)量子點-光子接口，從而構建可擴展的量子網絡。為了實現(xiàn)有效的光與物質相互作用，需要增強光子與量子發(fā)射器的耦合。而手性量子光學則為這種強耦合的實現(xiàn)提供了一種新穎的思路。在微納結構中，基于偏振偶極躍遷的量子點發(fā)射器可以實現(xiàn)與束縛光場單向性耦合，利用這種手性效應可以抑制發(fā)射光子的隨機性，從而實現(xiàn)單光子級別的手性光與物質的強耦合。目前，在光纖、波導、金屬界面等體系中已經有了一些微納尺度的手性量子光學器件。然而這些器件的功能較為簡單，集成度較低，無法滿足光量子網絡的集成度要求。因此為了實現(xiàn)高度集成的光量子網絡，亟需進一步提升手性光子器件的功能性和復雜性。

圖1.納米梁波導中的手性。(a)嵌入InGaAs量子點的GaAs納米梁波導示意圖。(b) 波導橫截面上電場分布。(c)耦合效率和手性對比度隨偶極子位置的變化。(d)施加-7T到7T的磁場，從左右兩側光柵耦合器分別收集到的量子點的圓極化熒光光譜。

最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理實驗室L02組的博士生肖姍、許秀來研究員和L03組的金奎娟研究員與納米物理與器件實驗室N09組的張建軍研究員、王霆副研究員等合作，在手性光子器件研究中取得重要進展。他們前期在耦合單量子點的交叉波導中實現(xiàn)了位置依賴的手性耦合，使得交叉波導具有偏振確定的單向波導和分束器的雙重功能。相關研究成果發(fā)表在期刊Applied Physics Letters上，并被選為當期的亮點工作（Featured Work），同時被美國物理學聯(lián)合會的Scilight進行了專訪報道。近日，他們又設計并制備了用于實現(xiàn)確定性圓偏振光定向路由和分束功能的緊湊手性光子器件，集成了量子點作為量子光源，并觀測到了圓偏振光子的定向發(fā)射和分束，獲得的手性對比度高達0.84。相關成果近期發(fā)表在期刊Laser & Photonics Reviews上。

圖2.手性光子分束器件的設計。(a)手性光子器件示意圖。(b)嵌入波導手性點處的兩個不同圓極化偶極子激勵源激發(fā)的波導模場分布。(c)和(d)波導間距為30nm和50nm時，手性對比度隨偶極子位置的變化。

在納米光波導中，光場受到了強橫向束縛產生沿著傳播方向的縱向場分量，從而形成局部圓偏振的光場分布。由于光場的局部圓偏振態(tài)與光的傳播方向耦合形成的光子自旋-動量鎖定效應，自旋極化的量子發(fā)射器只能與其中一個傳播方向的光場偏振相匹配，形成光子的定向發(fā)射，從而實現(xiàn)確定性的自旋-光子接口。通過電磁仿真對量子點與波導的耦合強度與嵌入位置的優(yōu)化，他們制備了多種含量子點的波導器件。圖1是單根納米梁波導中的手性傳輸器件及傳輸特性。利用空間選擇性微區(qū)熒光光譜的測量，成功地觀測到了量子點躍遷輻射的不同圓偏振光在波導內向不同方向傳播。利用這種波導結構，他們進一步設計了手性光子分束器，如圖2所示。該結構由兩個橫向相鄰的GaAs納米梁波導和嵌入的自組裝InGaAs量子點構成，其中手性路由來源于波導內部固有的電磁場手性，而分束功能則是通過波導間的倏逝場耦合實現(xiàn)。在該器件中實現(xiàn)了確定性、高方向性圓偏振光子的定向發(fā)射和分束，手性對比度高達0.84，如圖3所示。通過改變量子點光源在波導中的位置，觀測到了手性傳輸方向的改變，實現(xiàn)了圓偏振光輸出通道的轉換調控，因此實現(xiàn)了量子發(fā)射器在微納結構中的不同位置對手性光傳輸特性的調控。該手性光子器件的實現(xiàn)促進了基于量子點非經典光源的片上集成，具有結構緊湊、易于擴展、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)點，對實現(xiàn)自旋-路徑的信息編碼及可擴展化的片上手性量子光學網絡具有重要的意義。

圖3. 不同手性光子電路中具有確定性自旋傳輸手性行為的實驗結果。（a）和（b）左旋圓偏振光從左側兩個光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從右側兩個光柵耦合器輸出。（c）和（d）改變量子點的位置后，特定圓偏振光子從與上述相反方向的傳輸路徑輸出，即左旋圓偏振光從右側兩個光柵耦合器輸出，右旋圓偏振光從左側兩個光柵耦合器輸出。

該工作得到了國家自然科學基金（批準號：62025507，11934019, 11721404,和11874419），廣東省重點研發(fā)項目（批準號：2018B030329001），中科院B類先導專項（專項編號：XDB28000000），中科院科研儀器設備研制項目（項目編號：YJKYYQ20180036）和中科院創(chuàng)新交叉團隊的支持。

相關鏈接：

1. https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202100009

2. https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/5.0042480

3. https://aip.scitation.org/doi/10.1063/10.0003795