未來量子信息應(yīng)用最具挑戰(zhàn)性問題是單量子態(tài)的檢測(cè)和操縱，這是因?yàn)榱孔討B(tài)很脆弱，一旦融入外在環(huán)境，其量子性質(zhì)很容易被破壞。S. Haroche和D. Wineland通過微波腔囚禁單個(gè)原子、電勢(shì)阱俘獲帶電離子等實(shí)驗(yàn)手段，在單個(gè)光子態(tài)的測(cè)量和操縱方面做出了奠基性的工作，獲得了2012年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們采用的量子干涉實(shí)驗(yàn)技術(shù)成為量子光學(xué)研究的主要方法。如何在固態(tài)體系中實(shí)現(xiàn)量子相干操縱是未來量子網(wǎng)絡(luò)和量子計(jì)算應(yīng)用的關(guān)鍵和焦點(diǎn)問題。

近日，Phys. Rew. Lett.（109, 267402, 2012）報(bào)道了中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所與美國(guó)南弗羅里達(dá)大學(xué)和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校合作開展的基于InAs量子點(diǎn)固態(tài)量子體系的光子干涉研究的重要進(jìn)展：在半導(dǎo)體InAs自組織量子點(diǎn)中同時(shí)觀測(cè)到單光子和雙光子的量子干涉現(xiàn)象，研究了光譜色散對(duì)干涉對(duì)比度的影響。

半導(dǎo)體所新型半導(dǎo)體光電材料和量子信息課題組近年來開展了InAs/GaAs自組織量子點(diǎn)材料和單光子發(fā)射器件的研究，先后突破了低密度量子點(diǎn)的可控分子束外延生長(zhǎng)難題，掌握了分布式布拉格微腔與量子點(diǎn)耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)生長(zhǎng)和工藝制備關(guān)鍵技術(shù)，研制出液氮溫度下工作的單光子發(fā)射器件。2011年與上述的美國(guó)課題組開展合作，在對(duì)兩個(gè)空間間隔為40um的InAs單量子點(diǎn)的光子散射場(chǎng)與場(chǎng)、光子與光子相關(guān)性研究中，發(fā)現(xiàn)低溫下量子點(diǎn)發(fā)射的單光子發(fā)生相干散射（干涉可見度達(dá)20%）。由于兩個(gè)不同量子點(diǎn)發(fā)射光子具有不可分辨性，還觀察到干涉可見度達(dá)40%雙光子干涉現(xiàn)象。

這項(xiàng)工作的重要意義在于，實(shí)現(xiàn)了一種無需獨(dú)立調(diào)諧量子系統(tǒng)的光譜共振的雙光子干涉。通過探索空間完全分離InAs量子點(diǎn)光子相干性，可以評(píng)估量子點(diǎn)對(duì)所處固態(tài)環(huán)境的敏感性。如果能夠消除或避免這種外在的、來源于光譜色散導(dǎo)致的量子點(diǎn)多次隨機(jī)振動(dòng)失諧的平均效應(yīng)，會(huì)使單光子相干度大幅度增大，如采用三粒子態(tài)躍遷替換本征激子態(tài)的躍遷可實(shí)現(xiàn)單自旋的遠(yuǎn)程糾纏等。這對(duì)未來實(shí)現(xiàn)基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的固態(tài)系統(tǒng)的量子相干操縱具有重要意義。

此項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委的支持。