光子的軌道角動量(Orbital Angular Momentum,OAM)能夠形成一個無限維完備的Hilbert空間，是一種具有無限維度的獨特物理自由度。在信息處理中，光子的軌道角動量可以大幅度增加經典和量子信息處理的容量。具有軌道角動量的單光子源是高維量子信息處理的關鍵器件。迄今為止，產生攜帶軌道角動量的單光子都是由非線性過程概率性的產生，且效率很低，成為制約高維量子信息處理的主要瓶頸。
為克服上述挑戰，我校物理學院王雪華、劉進教授團隊提出將單量子點嵌入角向光柵微環諧振腔中的微納集成量子光源結構，使量子點與具有軌道角動量的微腔模式實現高效耦合，增強量子點的發光效率和角向光柵對單光子的向上散射。實驗制備的關鍵在于是否能把量子點精確定位在微腔的最佳位置，他們通過前期研究“三高”量子糾纏光子源【Nature Nanotechnology, 14, 586 (2019)】所發展的定位精度達10納米的熒光成像精確定位技術和微納加工制備技術，實現了量子點在角向光柵微環諧振腔中的精確定位，在國際上制備出光源亮度達0.23(4)的最亮芯片式觸發軌道角動量單光子發射器件，如圖所示。
圖. 嵌入量子點的微環諧振腔產生攜帶OAM量子疊加態的單光子源示意圖及樣品實物圖
該研究工作是首次在芯片上實現攜帶軌道角動量的單光子發射，為推進量子光源性能的按需調控和高維量子信息處理邁出了非常重要的一步。此外，該器件與半導體加工工藝兼容，具有器件尺寸小，可集成、可擴展的優勢。
該成果于2021年1月11日以“Bright solid-state sources for single photons with orbital angular momentum”為題在線發表在Nature Nanotechnology期刊上，我校陳波博士后和韋玉明博士后為共同第一作者，劉進教授和王雪華教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、廣東省重點領域研發計劃、廣東省自然科學基金、廣州市科技計劃、高校基礎科研業務費等項目以及國家超級計算廣州中心的大力支持。
