未來量子信息應用最具挑戰(zhàn)性問題是單量子態(tài)的檢測和操縱，這是因為量子態(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原子、電勢阱俘獲帶電離子等實驗手段，在單個光子態(tài)的測量和操縱方面做出了奠基性的工作，獲得了2012年度諾貝爾物理學獎。他們采用的量子干涉實驗技術(shù)成為量子光學研究的主要方法。如何在固態(tài)體系中實現(xiàn)量子相干操縱是未來量子網(wǎng)絡和量子計算應用的關鍵和焦點問題。
近日，Phys. Rew. Lett.（109, 267402, 2012）報道了中國科學院半導體研究所與美國南弗羅里達大學和德克薩斯大學奧斯汀分校合作開展的基于InAs量子點固態(tài)量子體系的光子干涉研究的重要進展：在半導體InAs自組織量子點中同時觀測到單光子和雙光子的量子干涉現(xiàn)象，研究了光譜色散對干涉對比度的影響。
半導體所新型半導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的可控分子束外延生長難題，掌握了分布式布拉格微腔與量子點耦合結(jié)構(gòu)的設計生長和工藝制備關鍵技術(shù)，研制出液氮溫度下工作的單光子發(fā)射器件。2011年與上述的美國課題組開展合作，在對兩個空間間隔為40um的InAs單量子點的光子散射場與場、光子與光子相關性研究中，發(fā)現(xiàn)低溫下量子點發(fā)射的單光子發(fā)生相干散射（干涉可見度達20%）。由于兩個不同量子點發(fā)射光子具有不可分辨性，還觀察到干涉可見度達40%雙光子干涉現(xiàn)象。
這項工作的重要意義在于，實現(xiàn)了一種無需獨立調(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量子點光子相干性，可以評估量子點對所處固態(tài)環(huán)境的敏感性。如果能夠消除或避免這種外在的、來源于光譜色散導致的量子點多次隨機振動失諧的平均效應，會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)的躍遷可實現(xiàn)單自旋的遠程糾纏等。這對未來實現(xiàn)基于半導體量子點的固態(tài)系統(tǒng)的量子相干操縱具有重要意義。
此項研究得到國家自然科學基金委的支持。