光子自旋態是最重要的量子資源之一，自旋態按需調控的量子點單光子源在量子信息和量子芯片等領域有著非常重要的應用。然而，量子點單光子輻射的隨機性導致自旋態的調控非常困難，使其應用受到了極大的限制。
近日，中山大學物理學院王雪華教授和團隊成員李俊韜教授、包燕軍研究員等人為克服量子點單光子輻射和其自旋態的隨機性，提出一種基于超構表面透鏡雙焦點輻射的量子點單光子源結構，該結構對位于雙焦點上的量子點和其鏡像的輻射光子能實現方向可控的準直出射，并能同時實現左右旋偏振態的按需調控。為提高光子的收集效率，在結構背部設置有一面反射鏡，反射光子可以等效為量子點鏡像發射的光子。實驗制備該量子光源的最大挑戰在于如何精確地把量子點和其鏡像集成在超構表面透鏡的雙焦點上。王雪華教授團隊通過發展超構表面制備技術和前期研究“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，實現了量子點和其鏡像與超構表面透鏡雙焦點的精確重合，演示了到目前為此所報道的最小發散角（3.17度）的準直出射，并實現了左、右旋偏振態分離可調且偏振度達88%的按需調控單光子源。該研究工作提供了基于超構表面調控量子光源的新方案，為推進量子光源性能的按需調控和實用化向前邁出了非常重要的一步。
圖A：超構表面結構調控量子點輻射示意圖。 圖B：實驗測量遠場輻射圖。
該成果于2020年7月29日以 “On-demand spin-state manipulation of single-photon emission from quantum dot integrated with metasurface” 為題在線發表在期刊Science Advances上，中山大學包燕軍研究員和林巧玲碩士為共同第一作者，李俊韜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、中山大學高校基礎科研業務等項目以及光電材料與技術國家重點實驗室的大力支持。
