Эффективное спин-фотонное взаимодействие при использовании симметричного в плоскости скольжения волновода - RU2682559C2

Чертежи

Описание

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к оптическому устройству, содержащему планарный волновод и квантовый излучатель.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В современных компьютерах данные состоят из битов, которые представляют собой двоичную последовательность нулей и единиц. Эти биты можно сохранять магнитным образом на жестких дисках или электрическим образом на флэш-памяти. В последние несколько десятилетий в качестве совершенно новой формы вычислений возникла обработка квантовой информации с использованием квантовых битов или "кубитов". В отличие от бита, одиночный кубит является квантово-механическим объектом и может быть сочетанием или суперпозицией нулевых и единичных состояний. Кубиты могут быть управляемыми и обрабатываемыми для выполнения вычислительных задач.

Два распространенных способа представления кубита включают в себя: использование квантованного углового момента или спина заряженной частицы, например, направленный вверх спин = 0 и направленный вниз спин = 1, или использование фотонов, например, отсутствие фотона = 0, наличие одного фотона = 1.

Полагают, что полупроводниковые квантовые точки (КТ) являются превосходными кандидатами в стационарные кубиты. Большие силы осцилляторов их оптических переходов обеспечивают быструю инициализацию, оптическую манипуляцию и считывание спинового состояния. Кроме того, твердотельная природа этих излучателей делает возможным структурирование их окружения в нанометровом масштабе, тем самым обеспечивая создание их большой локальной плотности оптических состояний (ЛПОС) фотонов посредством изготовления фотонно-кристаллических структур. Для направления света по определенным направлениям в таких фотонных кристаллах обычно используют геометрию, когда наноструктура расположена зеркально-симметрично (или с симметрией верх-низ) относительно направляющей области. Однако, вследствие симметрии таких фотонно-кристаллических волноводов, эти волноводы имеют электрические поля, которые являются четными или нечетными функциями относительно направляющей области, и в модах преобладают электрические поля, которые линейно поляризованы. Поэтому различные спиновые состояния квантовых точек или любого внедренного квантового излучателя с имеющими круговую поляризацию дипольными моментами переходов не могут эффективно взаимодействовать с такими волноводами.

Adam Mock (Адам Мок) и др. в статье ʺSpace group theory and Fourier space analysis of two-dimensional photonic crystal waveguidesʺ, Physical Review B, vol. 81, № 14, раскрыли волноводы типа В, когда фотонно-кристаллическая решетка на каждой стороне направляющей области сдвинута в продольном направлении на половину периода, в результате чего она обладает симметрией в плоскости скольжения. Волноводы типа В используют для снижения потерь излучения вне плоскости линейно поляризованного света, распространяющегося по волноводу.

Документ Peter Lodahl (Питер Лодаль) и др. в ʺInterfacing single photons and single quantum dots with photonic nanostructuresʺ, 4 December 2013, ArXiv, является раскрытием группой авторов настоящего изобретения, которое обеспечивает общее представление о квантовой оптике с экситонами в одиночных квантовых точках, внедренных в фотонные наноструктуры.

В целом, все еще имеется необходимость в волноводах, которые обеспечивают возможность эффективного считывания на кристалле квантовых излучателей, имеющих дипольные моменты переходов с круговой поляризацией.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача изобретения заключается в получении оптического устройства, которое преодолевает или ослабляет по меньшей мере один из недостатков предшествующего уровня техники или которое обеспечивает полезную альтернативу.

Согласно изобретению получено оптическое устройство, содержащее планарный волновод и квантовый излучатель, при этом планарный волновод содержит:

- простирающуюся в продольном направлении направляющую область с первой стороной и второй стороной,

- первую наноструктуру, расположенную на первой стороне направляющей области, и

- вторую наноструктуру, расположенную на второй стороне направляющей области, при этом

- планарный волновод включает в себя первую продольную область, где первая наноструктура и вторая наноструктура расположены по существу симметрично в плоскости скольжения относительно направляющей области волновода,

- и при этом квантовый излучатель связан с первой областью планарного волновода.

Планарный волновод с симметричными в плоскости скольжения наноструктурами относительно направляющей области представляет собой волновод, моды которого имеют электрические поля с сильной круговой поляризацией в плоскости. Моды структуры могут взаимодействовать с различными спиновыми состояниями квантовых точек или любого внедренного квантового излучателя, дипольный момент перехода которого имеет круговую поляризацию. Соответственно данное изобретение предоставляет фотонную наноструктуру, которая обеспечивает возможность фотонным кубитам очень эффективно взаимодействовать со спиновыми кубитами, и тем самым устройство, где квантовый излучатель с высокой эффективностью может быть связан с планарным волноводом и считан. Следует отметить, что «моды с круговой поляризацией» не имеют круговой поляризации в обычном смысле. Применительно к настоящему изобретению и планарным волноводам вектор электрического поля имеет круговую поляризацию в плоскости структуры в положении излучателя.

Квантовый излучатель может включать в себя оптические переходы, которые имеют круговую поляризацию. Соответственно видно, что квантовый излучатель функционирует как однофотонный излучатель, который излучает фотоны с модой, имеющей круговую поляризацию. Было обнаружено, что такие переходы очень эффективно связываются с планарными волноводами с помощью по существу симметричной в плоскости скольжения наноструктурой.

Квантовый излучатель может быть расположен на или внедрен в направляющую область планарного волновода. Например, квантовый излучатель может быть эпитаксиально выращенным, например, посредством молекулярно-лучевой эпитаксии или получен осаждением.

Следует отметить, что термин «продольный» не означает, что направляющую область необходимо располагать по прямой линии. Он означает, что в общем случае свет распространяется в заданном направлении волновода.

Также следует отметить, что термин «наноструктура» не следует воспринимать в слишком ограничивающем смысле. Он лишь указывает на то, что наноструктура имеет относительно небольшие размеры, например, размер от десятков нанометров до тысяч нанометров. Дополнительно, термин «оптический» также не следует воспринимать в слишком ограничивающем смысле, и считается, что оптический диапазон содержит инфракрасный свет, видимый свет и ультрафиолетовый свет. Дополнительно, также предполагается, что изобретение применимо для микроволн, рентгеновских лучей и т.п. Соответственно данный термин может также охватывать такие частоты и длины волн. Конечно, наноструктуры следует рассчитывать в соответствии с заданным диапазоном частот и длин волн.

В общем случае первую наноструктуру и вторую наноструктуру необходимо размещать с периодичностью некоторого типа и периодичность первой наноструктуры и второй наноструктуры взаимно сдвигать или транслировать в продольном направлении планарного волновода и таким образом, чтобы зеркальная симметрия нарушалась. Под «по существу симметричный в плоскости скольжения» подразумевают, что две наноструктуры взаимно сдвинуты на 25-75% периода структуры в продольном направлении планарного волновода, предпочтительно на около половины периода. Следует отметить, что даже сдвиг на 25% (или эквивалентно сдвиг на 75%) будет обеспечивать значительное улучшение эффективности спинового взаимодействия. Однако, чтобы максимизировать эффективность взаимодействия, сдвиг должен составлять приблизительно половину периода. Соответственно взаимный сдвиг может быть предпочтительно 30-70% и более предпочтительно 40-60%, а еще более предпочтительно 45-55% периода наноструктуры, например, сдвиг примерно на половину периода.

Соответственно также можно видеть, что изобретение предоставляет оптическое устройство, содержащее планарный волновод и квантовый излучатель, при этом планарный волновод содержит:

- простирающуюся в продольном направлении направляющую область с первой стороной и второй стороной,

- первую наноструктуру, выполненную с периодичностью на первой стороне направляющей области, и

- вторую наноструктуру, выполненную с упомянутой периодичностью на второй стороне направляющей области, при этом

- планарный волновод включает в себя первую продольную область, где первая наноструктура и вторая наноструктура взаимно сдвинуты на 25-75% периода в продольном направлении планарного волновода,

- и при этом квантовый излучатель связан с первой областью планарного волновода.

Наноструктуры преимущественно расположены в структуре решетки, то есть первая наноструктура расположена в структуре первой решетки, а вторая наноструктура расположена в структуре второй решетки. Поскольку наноструктуры расположены по существу симметрично в плоскости скольжения, это означает, что структура первой решетки и структура второй решетки взаимно сдвинуты по существу на половину периода или постоянной решетки в продольном направлении волновода.

Согласно предпочтительному варианту осуществления квантовый излучатель представляет собой квантовую точку или однофотонный источник другого типа. Однако планарный волновод с симметрией в плоскости скольжения также может быть применен в других системах, например, с использованием атомов, ионов или молекул.

Квантовая точка преимущественно имеет высоту 1-10 нм и размер в плоскости в диапазоне 10-70 нм. Квантовая точка может состоять из числа атомов от 10⁴ до 10⁶.

Планарный волновод преимущественно представляет собой фотонно-кристаллический волновод.

Согласно еще одному преимущественному варианту осуществления планарный волновод содержит вторую продольную область, где первая наноструктура и вторая наноструктура расположены зеркально-симметрично относительно направляющей области волновода. Тем самым свет, распространяющийся по планарному волноводу, может эффективно выводиться в обычный волновод.

Согласно конкретному предпочтительному варианту осуществления планарный волновод содержит переходную область, преимущественно расположенную между первой продольной областью и второй продольной областью, и при этом геометрия первой и второй наноструктур постепенно изменяется от симметричной в плоскости скольжения до зеркально-симметричной. Посредством этого волноводная мода постепенно изменяет поляризацию от круговой до линейной поляризации при низких потерях или отсутствии потерь и может более эффективно выводиться в обычный волновод.

Продольная протяженность переходной области может преимущественно быть в диапазоне 3-30 постоянных a решетки (или периодов наноструктуры) или в диапазоне 4-20 постоянных a решетки, или в диапазоне 5-15 постоянных a решетки.

Согласно одному варианту осуществления постоянная решетки первой наноструктуры и/или постоянная решетки второй наноструктуры промежуточной переходной области отличаются от постоянной решетки первой области. На практике, переход может быть задан рядом способов. Например, наноструктуры первой области и второй области могут иметь одинаковую постоянную a решетки. Первая наноструктура переходной области может иметь постоянную a+Δa (или a-Δa) решетки, в то время как вторая наноструктура переходной области может иметь такую же самую постоянную решетки, как первая область и вторая область (или наоборот). Альтернативно, первая наноструктура переходной области может иметь постоянную a+0,5Δa решетки, в то время как вторая наноструктура переходной области может иметь постоянную a-0,5Δa решетки.

Согласно другому варианту осуществления постоянная решетки первой области идентична постоянной решетки второй области. Однако, в принципе, также возможно, чтобы постоянные решетки двух областей были различными, например, для согласования с различными профилями мод.

Согласно еще одному варианту осуществления обычный волновод, такой как гребенчатый волновод или полосковый волновод, связан со второй продольной областью или переходной областью.

Согласно предпочтительному варианту осуществления планарный волновод содержит соответствующую конструкцию на противоположной стороне от первой продольной области. Соответственно планарный волновод может содержать дополнительную вторую продольную область на противоположной продольной стороне от первой продольной области, где первая наноструктура и вторая наноструктура расположены зеркально-симметрично относительно направляющей области волновода, и предпочтительно дополнительную переходную область, расположенную между первой продольной областью и дополнительной второй продольной областью, и при этом геометрия первой и второй наноструктур постепенно изменяется от симметричной в плоскости скольжения до зеркально-симметричной. Таким образом, видно, что данный вариант осуществления снабжен квантовым излучателем, при этом фотон вводится в первую продольную область и далее распространяется в направляющей области или ко второй продольной области, или к дополнительной второй продольной области. В зависимости от спинового состояния фотона, излучаемый фотон с высокой вероятностью будет направляться по конкретному направлению распространения.

Согласно другому предпочтительному варианту осуществления планарный волновод выполнен из диэлектрического материала, такого как полупроводниковый материал III-V. Материал может быть, например, выполнен из арсенида галлия (GaAs), арсенида галлия-индия (InGaAs) или арсенида алюминия (AlAs). Этим обеспечивается волновод, который особенно приспособлен, например, для квантовых точек. Квантовая точка также предпочтительно выполнена из полупроводникового материала III-V.

Преимущественно, первая наноструктура и/или вторая наноструктура содержат заполненные воздухом отверстия. Однако, в принципе, наноструктуру можно также выполнить из материала, отличающегося от остальной части материала планарного волновода и имеющего показатель преломления, отличающийся от показателя преломления остальной части.

В одном варианте осуществления планарный волновод выполнен из материала, имеющего показатель преломления в диапазоне 2-5 или 2,5-4,5, например, около 3,5, то есть, например, из диэлектрического материала с высоким показателем преломления. В другом варианте осуществления различие в показателе преломления материала планарного волновода и первой, и второй наноструктур составляет в диапазоне 1-4 или 1,5-3,5, например, около 2,5.

В еще одном варианте осуществления планарный волновод выполнен с возможностью направления света в интервале длин волн 620-1200 нм, и при этом квантовый излучатель излучает фотоны, имеющие длину волны в упомянутом интервале.

Согласно предпочтительному варианту осуществления первая наноструктура и вторая наноструктура расположены в структуре первой решетки и структуре второй решетки соответственно, преимущественно расположены в треугольной решетке и имеют постоянную a решетки. Как правило конструкция наноструктуры, например, структура решетки фотонно-кристаллического волновода, должна быть согласована с необходимыми волноводными модами. Длина волны в волноводе может быть равна, например, удвоенной длине постоянной решетки.

Согласно другому преимущественному варианту осуществления постоянная a решетки лежит в интервале 100-500 нм или 150-400 нм, или 200-300 нм, например, около 250 нм.

В одном варианте осуществления наноструктуры имеют по существу круговую форму и имеют диаметр от 0,2a до 0,4a, например, около 0,3a.

Направляющая (волноводная) область может быть, например, в диапазоне 100-1000 нм. Направляющую область часто формируют путем удаления линий отверстий. Соответственно поперечное расстояние между центрами ближайших наноструктур (например, отверстий) на первой стороне и второй стороне равно

Планарный волновод преимущественно может иметь толщину от 0,2a до 1a или от 0,4a до 0,8a, или от 0,3a до 0,7a, например, около 0,5a или 0,6a. Альтернативно, планарный волновод может иметь толщину в диапазоне 50-500 нм или 75-350 нм, или 100-250 нм, например, около 150 нм. Соответственно видно, что планарный волновод представляет собой пластинчатый волновод или такой, который в данной области техники называют мембранным.

Планарный волновод преимущественно проектируют в виде плавающей структуры вдоль по меньшей мере значительной части планарного волновода. Такая конструкция минимизирует потери благодаря минимизации света, выходящего из плоскости.

Оптическое устройство может быть, например, однофотонным транзистором или управляемым логическим элементом НЕ (управляемым НЕ), которые являются основными компоновочными блоками квантовых компьютеров, оптических компьютеров и квантовой информационной технологии, или, эквивалентно, изобретение предоставляет:

- однофотонный транзистор, содержащий оптическое устройство согласно любому из вышеупомянутых вариантов осуществления, или

- управляемый логический элемент НЕ, содержащий оптическое устройство согласно любому из вышеупомянутых вариантов осуществления.

Задача изобретения также решается планарным волноводом (или оптическим устройством, содержащим планарный волновод), при этом планарный волновод содержит:

- простирающуюся в продольном направлении направляющую область с первой стороной и второй стороной,

- первую наноструктуру, расположенную на первой стороне направляющей области, и

- вторую наноструктуру, расположенную на второй стороне направляющей области, при этом волновод содержит:

- первую продольную область, где первая наноструктура и вторая наноструктура расположены по существу симметрично в плоскости скольжения относительно направляющей области волновода, и

- переходную область, в которой геометрия первой и второй наноструктур постепенно изменяется от симметричной в плоскости скольжения до зеркально-симметричной.

Это обеспечивает планарный волновод, который особенно подходит для эффективного ввода фотонов, излучаемых из квантового излучателя, и вывода фотонов в другие оптические устройства.

Первая наноструктура и вторая наноструктура преимущественно расположены в порядке решетки, предпочтительно в порядке треугольной решетки. Планарный волновод преимущественно представляет собой фотонно-кристаллический волновод. Как правило, планарный волновод может иметь конструкцию согласно любому из вышеупомянутых вариантов осуществления. Поэтому определения, относящиеся к терминам «продольный» и «по существу симметричный в плоскости скольжения», также применимы к упомянутому планарному волноводу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Ниже изобретение подробно поясняется со ссылкой на варианты осуществления, показанные на чертежах, на которых:

Фиг. 1 показывает обычный фотонно-кристаллический волновод с зеркально-симметричной наноструктурой;

Фиг. 2 показывает первый вид планарного волновода согласно изобретению;

Фиг. 3а и 3b показывают амплитуды электрического поля в обычном фотонно-кристаллическом волноводе, который показан на фиг. 1;

Фиг. 3с и 3d показывают амплитуды электрического поля в планарном волноводе согласно изобретению;

Фиг. 4 показывает второй вид планарного волновода согласно изобретению;

Фиг. 5 показывает схему уровней заряженного экситона в квантовой точке;

Фиг. 6 показывает численное моделирование интенсивности излучения диполей с противоположными круговыми поляризациями в волноводе согласно изобретению;

Фиг. 7 показывает первый вариант осуществления оптического устройства, реализующего планарный волновод согласно изобретению; и

Фиг. 8 показывает второй вариант осуществления оптического устройства, реализующего планарный волновод согласно изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг. 1 показан обычный волновод, имеющий зеркально-симметричную наноструктуру относительно направляющей области, также называемую симметрией верх-низ. Кружками на фигуре представлена наноструктура из заполненных воздухом отверстий в диэлектрическом материале с высоким показателем преломления, таком как GaAs. Решетка обладает фотонной запрещенной зоной, которая обеспечивает направление света в направляющую область, которая является центральной областью, показанной на фигуре, где нет кружков.

Фиг. 3а и 3b показывает электрическое поле для типичной моды в симметричном фотонно-кристаллическом мембранном волноводе с показателем преломления n=3,46, радиусом r=0,3a и толщиной t=0,6a волновода, где a является периодом решетки. Фиг. 3а показывает x-составляющую электрического поля, а Фиг. 3b показывает y-составляющую. Вследствие зеркальной симметрии эти волноводы имеют электрические поля, которые являются четными или нечетными функциями относительно центра (y=0) волновода, и в такой волноводной моде преобладает электрическое поле, которое линейно поляризовано.

Типы полей, необходимые для эффективной связи с круговыми диполями, невозможно получить с максимальными значениями поля распространяющейся моды при наличии вышеприведенных ограничений на симметрию. Соответственно все еще имеется необходимость в эффективном считывании спина на кристалле.

Это согласно изобретению достигается оптическим устройством 1, которое показано на фиг. 2. Оптическое устройство 1 содержит планарный волновод 2, который содержит простирающуюся в продольном направлении направляющую область 4 с первой стороной 6 и второй стороной 8. Первая наноструктура 7, содержащая отверстия, расположенные в структуре треугольной решетки с постоянной a решетки, расположена на первой стороне 6 направляющей области 4, и вторая наноструктура 9, содержащая отверстия, расположенные в структуре треугольной решетки с постоянной a решетки, расположена на второй стороне 8 направляющей области 4.

Планарный волновод 2 включает в себя первую продольную область 10, где первая наноструктура 7 и вторая наноструктура 9 расположены по существу симметрично в плоскости скольжения (скользящего отражения) относительно направляющей области 4 планарного волновода 2. Квантовый излучатель 18, например, в виде квантовой точки внедрен в направляющую область 4 первой продольной области 10. Как определено в настоящем изобретении, термин «по существу симметричные в плоскости скольжения» означает, что первая наноструктура 7 и вторая наноструктура 9 взаимно сдвинуты или транслированы в продольном направлении на длине δ трансляции, где длина трансляции находится в диапазоне 0,25a-0,75a, предпочтительно δ приблизительно составляет 0,5a.

Планарный волновод 2 с симметричными в плоскости скольжения наноструктурами 7, 9 относительно направляющей области 4 обеспечивает волновод, моды которого имеют электрические поля с сильной круговой поляризацией в плоскости. Моды структуры могут взаимодействовать с различными спиновыми состояниями квантовых точек или любого встроенного квантового излучателя, дипольный момент перехода которого имеет круговую поляризацию. Соответственно изобретение предоставляет фотонную наноструктуру, которая обеспечивает возможность фотонным кубитам очень эффективно взаимодействовать со спиновыми кубитами, и тем самым устройство, где квантовый излучатель 18 с высокой эффективностью может связываться с планарным волноводом 2 и считываться.

Этот технический эффект показан на фиг. 3с и 3d, которые показывают величину электрических полей моды симметричного в плоскости скольжения волновода, имеющего те же самые показатель преломления и характеристики решетки, как в примере, показанном на фиг. 1. Здесь поле показано относительно составляющих поля с правой и левой круговыми поляризациями. Можно видеть, что E_R имеет максимальное значение, когда E_L равна 0. Таким образом, мода имеет сильную круговую поляризацию в плоскости. Положения с сильной правой круговой поляризацией для распространяющейся вправо моды имеют сильную левую круговую поляризацию для распространяющейся влево моды. Приведенный здесь пример основан на фотонно-кристаллическом волноводе, но эта симметрия в плоскости скольжения потенциально может быть реализована в любом наноструктурированном волноводе.

Планарный волновод преимущественно выполняют из диэлектрического материала, такого как полупроводниковый материал III-V. Например, материалом может быть арсенид галлия (GaAs), арсенид галлия-индия (InGaAs) или арсенид алюминия (AlAs). Это обеспечивает волновод, который особенно приспособлен, например, для квантовых точек. Квантовую точку предпочтительно выполняют также из полупроводникового материала III-V. Квантовая точка преимущественно имеет высоту 1-10 нм и размер в плоскости в диапазоне 10-70 нм и может состоять из приблизительно 10⁵ атомов. В одном преимущественном варианте осуществления планарный волновод 2 выполнен из GaAs, а квантовая точка из InGaAs. Например, квантовый излучатель может быть эпитаксиально выращенным, например, посредством молекулярно-лучевой эпитаксии или получен осаждением.

В общем, следует понимать, что первую наноструктуру 7 и вторую наноструктуру 9 необходимо располагать в периодической структуре или структуре решетки некоторого вида и что структуры первой наноструктуры 7 и второй наноструктуры 9 взаимно сдвигают в продольном направлении планарного волновода 2 по сравнению с волноводом с зеркально-симметричной наноструктурой, которая показана на фиг. 1. Отметим, что даже небольшой сдвиг на 25% периода решетки (или, эквивалентно, сдвиг на 75%) будет обеспечивать значительное улучшение эффективности спинового взаимодействия. Однако, чтобы максимизировать эффективность взаимодействия, сдвиг должен составлять приблизительно половину периода.

Как показано на фиг. 2, первая наноструктура 7 и вторая наноструктура 9 могут быть расположены в треугольной решетке, имеющей постоянную a решетки. Постоянная a решетки может преимущественно лежать в интервале 100-500 нм, например, составлять около 250 нм. Наноструктуры могут иметь по существу круговые формы и имеют диаметр от 0,2a до 0,4a, например, около 0,3a.

Направляющая область может быть, например, в диапазоне 100-1000 нм. Направляющую (волноводного распространения) область часто формируют путем удаления линии отверстий. Соответственно поперечное расстояние между центрами ближайших наноструктур (например, отверстий) на первой стороне и второй стороне составляет приблизительно

Первая наноструктура 7 и вторая наноструктура 9 могут содержать заполненные воздухом отверстия. Однако, в принципе, наноструктуры 7, 9 можно также выполнять из материала, отличающегося от материала остальной части планарного волновода и имеющего показатель преломления, отличающийся от показателя преломления остальной части. Планарный волновод 2 может быть выполнен с возможностью направления света в интервале длин волн в области 620-1200 нм, и соответственно в этом случае квантовый излучатель излучает фотоны, имеющие длину волны в упомянутом интервале.

Планарный волновод 2 может преимущественно иметь толщину 0,5a-0,6a или, эквивалентно, в диапазоне 125-150 нм. Соответственно видно, что планарный волновод 2 представляет собой пластинчатый волновод или такой, какой в данной области техники называют мембранным. Планарный волновод 2 преимущественно проектируют в виде плавающей структуры вдоль по меньшей мере значительной части планарного волновода 2. Такая конструкция минимизирует потери за счет минимизации света, выводимого из плоскости.

В целом видно, что расположение на или внедрение квантового излучателя 18 в первую продольную область 10 планарного волновода 2 обеспечивает высокоэффективную спин-фотонную границу раздела. Однако границу раздела все же необходимо комбинировать со стандартной технологией волновода на кристалле, чтобы реализовывать волновод в системах квантовой информационной технологии.

Чтобы комбинировать спин-фотонную границу раздела со считыванием в стандартную технологию волноводов, планарный волновод 2 содержит вторую продольную область 14, в которой первая наноструктура 7 и вторая наноструктура 9 расположены по существу зеркально-симметрично (симметрия верх-низ) относительно направляющей области 4. Переходная область 12 расположена между первой продольной областью 10 и второй продольной областью 14, и в этой области геометрия первой наноструктуры 7 и второй наноструктуры 9 постепенно изменяется от симметричной в плоскости скольжения до зеркально-симметричной. Тем самым поляризация волноводной моды постепенно изменяется от круговой до линейной поляризации с небольшими потерями или без потерь. Таким образом, свет можно более эффективно преобразовывать и вводить в соответствии с технологией обычного волновода, такого как гребенчатый волновод 16, который показан на фиг. 2.

Продольная протяженность первой продольной области 10 может преимущественно быть в диапазоне 1-30 постоянных a решетки (или периодов наноструктуры), например, составлять около 5-6 постоянных a решетки. Продольная протяженность переходной области 12 может преимущественно быть в диапазоне 3-30 постоянных a решетки (или периодов наноструктуры) или в диапазоне 4-20 постоянных a решетки, или в диапазоне 5-15 постоянных a решетки, например, составлять около 8 постоянных a решетки. Никаких таких ограничений не накладывается на длину второй продольной области 14, при условии, что надлежащая конверсия получена посредством переходной области 12. Соответственно вторая продольная область 14 сама по себе может составлять только концевую часть переходной области 12.

Согласно одному варианту осуществления постоянная решетки первой наноструктуры 7 и/или постоянная решетки второй наноструктуры 9 промежуточной переходной области 12 отличаются от постоянной решетки первой продольной области 10. На практике, переход может быть достигнут рядом путей. Например, наноструктуры первой области 10 и второй области 14 могут иметь одну и ту же постоянную a решетки. Первая наноструктура 7 переходной области 12 может иметь постоянную a₁=a+Δa (или a₁=a-Δa) решетки, в то время, как вторая наноструктура 9 переходной области 12 может иметь одну и ту же постоянную (a₂=a) решетки, как первая область 10 и вторая область 14 (или наоборот). Альтернативно, первая наноструктура 7 переходной области 12 может иметь постоянную a₁=a+0,5Δa решетки, в то время, как вторая наноструктура 9 переходной области 12 может иметь постоянную a₂=a-0,5Δa решетки. В общем видно, что переход может быть получен за a/2Δa периодов.

Предпочтительно, чтобы постоянная решетки первой продольной области 10 была идентична постоянной решетки второй продольной области 14. Однако, в принципе, также возможно, чтобы постоянные решетки двух областей были различными, например, для согласования различных профилей мод.

Если квантовый излучатель с оптическими переходами, которые имеют круговую поляризацию, помещен в симметричный в плоскости скольжения волновод, как показано для первой продольной области 10 планарного волновода 2, направление испускания излучаемого фотона определяется направленностью перехода. Вероятность β_dir направленного взаимодействия излучения в предлагаемых структурах достигает значений, приближающихся к единице. Эффективность этого направленного взаимодействия является произведением вероятности β, с которой фотон взаимодействует с волноводом, и вероятности, с которой он распространяется в правильном направлении, F_dir. Этим непосредственно транслируется на вероятность успешного считывания спина излучателя, которое является ключевым показателем качества предлагаемых применений в квантовой информационной технологии. В показанном варианте осуществления с симметричным в плоскости скольжения волноводом связана квантовая точка 18, но эта идея может быть распространена на любой квантовый излучатель.

Высоконаправленное излучение в этих структурах можно использовать для считывания спинового состояния одиночного электрона в квантовой точке. Как показано на фиг. 5, в зависимости от исходной спиновой ориентации основного состояния линейно поляризованный пи-импульс при резонансе с вырожденными трионнными переходами переводит популяцию квантовых точек в одно из двух возбужденных состояний. Направление распространения последующей эмиссии сильно коррелированно с поляризацией переходного диполя канала распада. Вероятность успеха, определяемая как вероятность того, что излученный фотон распространяется в правильном направлении, задается как P_s=β_dir, тогда как вероятность распространения фотона в неправильном направлении задается как P_err=β(1-F_dir).

Это можно использовать для создания переплетения спиновых траекторий между одиночными квантовыми точками и фотонами, которые они излучают. Инициализацию спинового кубита в состояниях со спином, ориентированным вверх, |↑〉, или со спином, ориентированным вниз, |↓〉, можно выполнять оптически путем возбуждения одного из двух переходов лазером с надлежащей круговой поляризацией. Это сопровождается пи/2-поворотом спина до приведения его в когерентную суперпозицию двух основных состояний. Возбуждение пи-импульса приводит к излучению одиночного фотона, направление распространения которого переплетено с помощью спина

где |L| и |R| обозначают фотон, распространяющийся влево и вправо.

Поскольку излучаемый фотон может излучаться в двух направлениях, планарный волновод также содержит дополнительную первую продольную область 10', дополнительную переходную область 12' и дополнительную вторую продольную область 14', которые, как показано на фиг. 4, расположены на противоположной продольной стороне от первой продольной области 10, и которые имеют те же самые геометрические свойства, как первая продольная область 10, переходная область 12 и вторая продольная область 14, соответственно. Точно так же, дополнительная вторая продольная область 14' может быть связана с гребенчатым волноводом 16' или другим обычным волноводом. Таким образом видно, что обеспечивается планарный волновод 2, где фотон из квантового излучателя 18 вводится в первую продольную область 10, 10' и затем распространяется в направляющей области 4 ко второй продольной области 14 или дополнительной второй продольной области 14'. В зависимости от спинового состояния фотона излучаемый фотон будет с высокой вероятностью вводиться в заданном направлении распространения.

На фиг. 5 показаны электронные уровни отрицательно заряженного экситона в квантовой точке с основными состояниями со спином, ориентированным вверх, и со спином, ориентированным вниз. Если любое из этих основных состояний возбуждается резонансно, они спонтанно излучают фотон и возвращаются в то же самое основное состояние. Дипольный момент перехода процесса излучения зависит от спина основного состояния фотона. Для основного состояния со спином, ориентированным вверх, дипольный момент σ₊ представляет собой дипольный момент с правой круговой поляризацией, тогда как основное состояние со спином, ориентированным вниз, имеет дипольный момент σ_- с левой круговой поляризацией. Пунктирные диагональные линии указывают дипольные запрещенные переходы.

Поскольку два дипольных момента σ₊, σ_- имеют противоположно направленные круговые поляризации, фотон, излучаемый из квантового излучателя 18, будет вводиться в планарный волновод, показанный на фиг. 4, вправо или влево. Поэтому два дипольных момента σ₊, σ_- перехода взаимодействуют с модами, распространяющимися в различных направлениях, а спин электрона в квантовой точке определяет направление излученного фотона. Это показано на фиг. 6, которая иллюстрирует численное моделирование излучения диполей с противоположно направленной круговой поляризацией, где фиг. 6а показывает, что диполи σ_- с левой круговой поляризацией взаимодействуют с распространяющейся влево модой, тогда как фиг. 6b показывает, что диполи σ₊ с правой круговой поляризацией взаимодействуют с распространяющейся вправо модой.

Взаимодействие фотона, распространяющегося в симметричном в плоскости скольжения волноводе, с излучателем, также сильно коррелируется с электронным состоянием излучателя. При управлении внутренним состоянием квантового излучателя, мы можем сконструировать однофотонный транзистор и управляемый логический элемент НЕ (управляемый НЕ), оба из которых являются основными компоновочными блоками квантовой информационной технологии.

В дальнейшем описываются различные примеры оптических устройств, реализующие планарный волновод 2 согласно изобретению.

Пример 1. Считывание спина и однофотонный диод

Фиг. 7 показывает первое оптическое устройство 101, реализующее планарный волновод 2 согласно изобретению, где фиг. 7с показывает интерферометр Маха-Цендера, предлагаемый для считывания спина на кристалле в режиме Гейтлера. Взаимодействие с квантовой точкой происходит на участке симметричного в плоскости скольжения волновода (СПСВ) 2, помещенного на пути А. Путь В включает в себя фазовое управление, которое необходимо, чтобы гарантировать, что интерферометр корректно балансирован. Фиг. 7а показывает внешнее магнитное поле B_ext по направлению роста, которое расщепляет два перехода с круговой поляризацией, обозначенных диполями σ₊ и σ_-. В дополнение к энергетическому расщеплению двух переходов с круговой поляризацией, внешнее магнитное поле подавляет диагональные переходы, обозначенные пунктирными линиями со стрелками. Фиг. 7b показывает фазу и амплитуду вероятности для одиночного фотона, рассеиваемого вперед в симметричном в плоскости скольжения волноводе, в зависимости от β-коэффициента направленности. Фиг. 7d показывает вероятности успешного и ошибочного считывания спина, которые построены наряду с вероятностью потери фотона в зависимости от β-коэффициента направленности. Здесь мы предполагаем, что падающий одиночный фотон имеет спектральную амплитуду спектра Лоренца шириной σ_lor=0,02Γ, где Γ является скоростью спада возбужденного состояния. Фиг. 7е показывает те же самые три вероятности, изображенные в зависимости от однофотонной спектральной ширины для β_dir=0,98. Это ясно показывает, насколько работа в режиме Гейтлера чувствительна к ширине приходящего фотона.

Как показано на фиг. 7с, путем встраивания планарного волновода 2 в интерферометр Маха-Цендера (ИМЦ) на кристалле можно считывать основное спиновое состояние заряженной квантовой точки (КТ) и создавать однофотонный диод. Интерферометр Маха-Цендера сбалансирован так, что одиночный фотон, падающий на плечо 1₁, будет выходить через плечо 4₁. При прохождении одиночного фотона по пути А₁ и при резонансе с σ₊ будет получаться дополнительный фазовый сдвиг «пи» относительно фотона, проходящего по пути В₁, если квантовая точка находится в основном состоянии со спином, ориентированным вверх, |↑〉. Это приводит к тому, что одиночный фотон, падающий на плечо 1₁, выходит через плечо 3₁, тогда как одиночный фотон, падающий, когда квантовая точка находится в состоянии |↓〉, будет выходить в плечо 4₁. Таким образом, на этом основано считывание на кристалле спинового состояния квантовой точки. Любое снижение β-коэффициента направленности, β_dir, приводит к меньшему полному пропусканию (потере фотонов) и к пониженной видимости интерферометра Маха-Цендера. Не равная единице видимость вызывает погрешности при считывании спина, некорректному канализированию части фотонов в плечо 4₁ несмотря на то, что квантовая точка находится в состоянии |↑〉. С другой стороны, спиновой кубит в состоянии |↓〉 всегда хорошо обнаруживается при большом расщеплении двух энергий перехода внешним магнитным полем B_ext. В пределе спектрально очень узких одиночных фотонов по сравнению с рассеивающим переходом вероятности успешного считывания спина, ошибочного считывания спина и потери фотонов имеют вид

Точные решения для этих вероятностей в случае однофотонного импульса с узкой, но конечной спектральной шириной показаны на фиг. 7d. Это эффективно для вычислений с использованием математической трактовки однофотонного рассеяния, а на фиг. 7е представлены показанные выше вероятности в зависимости от спектральной ширины одиночного фотона для β_dir=0,98.

Кроме того, то же самое устройство можно использовать как однофотонный диод, изолирующий плечо 1₁ от любого нежелательного обратного отражения, происходящего в плече 3₁. При этом предполагается, что спин находится в состоянии |↑〉, а одиночные фотоны, находящиеся в резонансе с переходом σ₊, входят через плечо 1₁ и выходят через плечо 3₁, где они частично отражаются при повторном входе в интерферометр Маха-Цендера в направлении обратного распространения. При достаточно высоком B_ext фотоны σ₊ полностью расстраиваются от перехода σ_- и будут проходить квантовую точку совершенно без возникновения взаимодействия, выходя в плечо 2₁ интерферометра. Вероятность прохождения для этого диода задана как P_s, тогда как вероятность того, что отраженный обратно в плече 3₁ фотон направится обратно в плечо 1₁, задано как

Пример 2. Квантовое невозмущающее измерение

Добавление когерентного управления одноэлектронным спиновым кубитом позволяет создавать произвольные суперпозиции двух одноэлектронных основных состояний, что делает достижимыми дополнительные применения. Такое управление может быть достигнуто с помощью как оптических способов, так и посредством осциллирующих в плоскости магнитных полей B_μw, создаваемых источником микроволн, что схематично показано на фиг. 8а. В случае использования этого управления однофотонный квантовый невозмущающий (КНВ) детектор может быть выполнен следующими способами, которые известны сами по себе. Инициализация спинового кубита в состоянии |↑〉 может быть выполнена оптической спиновой накачкой путем возбуждения перехода σ_-. Затем осуществляют пи/2-поворот спинового кубита, выполняя преобразования:

которые можно выполнять с помощью B_μw. Одиночный фотон при резонансе с переходом B_μw, |k_b〉, будет получать фазовый сдвиг только тогда, когда квантовая точка находится в состоянии |↑〉. После прохождения одиночным фотоном области взаимодействия выполняют другой пи/2-поворот спинового кубита. Полная последовательность выглядит следующим образом:

когда одиночный фотон проходит область взаимодействия. На втором этапе этой последовательности важно, чтобы состояние фотон-вещество можно было разделить после взаимодействия, в результате чего его можно будет перезаписать как произведение неизменившегося фотонного состояния |k_b〉 и когерентной суперпозиции двух основных спиновых состояний. В идеальном случае одна из составляющих спинового состояния будет получать фазовый сдвиг «пи» вследствие взаимодействия с излучателем. На последнем этапе пи/2-поворотом последовательно преобразуют когерентную суперпозицию обратно в состояние со спином, ориентированным вверх, или со спином, ориентированным вниз. В идеальном случае рассеяния (t_k→-1) исходное спиновое состояние восстанавливается, когда фотон прошел область взаимодействия, и спиновое состояние изменяется на противоположное, когда фотон не прошел область взаимодействия (как видно из нижеследующего уравнения):

Из предшествующего уравнения видно, что в предположении идеальных инициализации, управления и считывания спинового состояния вероятность успеха при квантовом невозмущающем измерении приближается к

Пример 3. Однофотонный транзистор и управляемый логический элемент НЕ

В примере 1 было показано, что при использовании интерферометра Маха-Цендера можно эффективно считывать односпиновое основное состояние триона, а в примере 2 было показано, каким образом одиночный фотон можно использовать для управления внутренним состоянием квантовой точки.

В этом примере мы объединили эти две идеи в однофотонном транзисторе/переключателе, в котором одиночный управляющий фотон (логического элемента) управляет потоком последующих фотонов. И в этом случае трион используется во внешнем магнитном поле, ориентированном в направлении роста. Это показано на фиг. 8А, где внешнее магнитное поле B_ext вдоль направления роста осуществляет расщепление на два перехода с круговой поляризацией, обозначенные дипольными моментами σ₊ и σ_-. В дополнение к энергетическому расщеплению на два круговых перехода внешнее магнитное поле подавляет диагональные переходы, обозначенные пунктирными стрелками. Когерентное управление спиновым кубитом можно получать с помощью осциллирующих в плоскости магнитных полей, генерируемых источником микроволн, при резонансе с электронным спиновым переходом B_μw. Фиг. 8b показывает квантовую точку, расположенную в положении высокого β-коэффициента направленности в симметричном в плоскости скольжения волноводе. Стрелками показано, при каком направлении распространения в волноводе соответствующие переходы взаимодействуют. Фиг. 8с показывает схематичный вид конструкции образца для экспериментальной реализации однофотонного транзистора и детерминистического управляемого логического элемента НЕ. Симметричный в плоскости скольжения волновод находится в одном из плеч интерферометра Маха-Цендера с гребенчатым волноводом, а в другом находится элемент регулируемого фазового управления, φ. На фигуре явным образом не показан фильтр ввода/вывода, но его можно реализовать или между двумя гребенчатыми волноводами (2₂' и А₂), или после ввода в планарный волновод 2.

В дополнение к обеспечению когерентного управления между двумя одноэлектронными основными состояниями с помощью микроволновых импульсов, B_μw, внешнее магнитное поле B_ext приводит к зеемановскому расщеплению между двумя круговыми переходами, порядок которых составляет десятки ГГц. Это расщепление обеспечивает два отдельных пути для фотонов, относящихся к круговым переходам σ₊ и σ_-, сравните с фиг. 8а, и эти пути на фиг. 8b и 8с обозначены как σ₊ и σ_-. Узкополосные фильтры ввода/вывода требуется, чтобы иметь возможность использовать относительно небольшие спектральные различия и канализировать (направлять) две спектральные моды по различным путям оптической схемы. В таком случае одиночный управляющий фотон, падающий на плечо 2₂', обеспечивает управление внутренним состоянием квантовой точки при использовании схемы, подобной представленной выше для квантового невозмущающего измерения. Однако второй пи/2-импульс в последовательности заменяется -пи/2-импульсом, преобразующим излучатель обратно в его исходное состояние, когда он не взаимодействует с фотоном. Фазовое управление φ интерферометром Маха-Цендера на фиг. 8с задают так, что одиночные фотоны, падающие на плечо 1₂, будут выходить в плечо 4₂ в случае интерферометра без отражателя, то есть без взаимодействия с переходом σ₊, и в то же время они будут выходить в плечо 3₂, когда излучатель инициализируется в состоянии со спином, ориентированным вверх. В таком случае нижеследующую последовательность можно использовать для реализации однофотонного транзистора.

1. Излучатель инициализируют в состоянии со спином, ориентированным вверх.

2. Пи/2-поворот спина приводит к

3. Если имеется одиночный фотон, падающий на плечо 2₂', он рассеивается от перехода σ_- и вызывает фазовый сдвиг «пи» между двумя спиновыми составляющими, то есть

4. Последующий -пи/2-поворот преобразует спин от

5. Последовательность одиночных фотонов, падающих на плечо 1₂, теперь будет выходить в плечо 4₂, если присутствует одиночный управляющий фотон, и будет выходить в плечо 3₂, если отсутствует управляющий фотон, взаимодействующий с излучателем.

Оценивание характеристик этого однофотонного транзистора разделено на две части, а именно, переключение излучателя управляющим фотоном и маршрутизация одиночных фотонов в интерферометре Маха-Цендера. Сначала находили вероятность переключения излучателя, P_switch, которая описывает общую вероятность переключения одиночным фотоном, приходящим в плечо 2₂', внутреннего состояния излучателя. Здесь предполагали наличие идеального управления необходимой последовательностью микроволновых импульсов. В пределе очень узкополосных управляющих фотонов это приводит к P_switch≈β_dir. В этом заключается отличие от вероятности успеха квантового невозмущающего обнаружения, поскольку исходящее состояние управляющего фотона по существу не имеет значения. В половине случаев, когда управляющий фотон не рассеивается в правильную моду из-за не равного единице β-коэффициента направленности, в конечном счете все же получают правильное спиновое состояние. Это приводит к дополнительной вероятности успеха β_dir-β_dir² по сравнению с вероятностью при квантовом невозмущающем измерении. Когда излучатель успешно переключается, включается поток сигнальных фотонов, выходящих в плечо 4₂. Дополнительные погрешности, обусловленные сигнальными фотонами, отсутствуют, поскольку предполагается, что интерферометр Маха-Цендера работает идеально, когда нет взаимодействия с излучателем. Однако, когда управляющий фотон отсутствует и излучатель остается в основном состоянии со спином, ориентированным вверх, будет иметься некоторая остаточная утечка в плечо 4₂, P_leak≈(1-β_dir)².

Эту идею можно распространить на работу детерминистического управляемого логического элемента НЕ путем просто добавления дополнительного плеча, которое обходит три других плеча, т.е. плеча 1₂' на фиг. 8с. Вычислительная основа этого управляемого логического элемента НЕ задается управляющим кубитом, |0_с〉=1₂' и |1_с〉=2₂', и целевым кубитом, |0_t〉=(1₂, 3₂) и |1_t〉=(2₂, 4₂). Можно показать, что при использовании той же самой последовательности микроволновых импульсов, как для транзистора, фотонная схема на фиг. 8 работает как управляемый логический элемент НЕ, при этом необходим только один дополнительный этап. Другой поворот спинового состояния, за которым следует считывание спина, использует, например, поле со слабой когерентностью. Как было показано экспериментально, этот дополнительный этап необходим для распутывания спинового состояния. На этом этапе никакие дополнительные погрешности не добавляются. В зависимости от результата считывания спина повороты одиночного кубита относительно выходного состояния будут необходимы для получения правильного состояния, и эти повороты уже включены в вычисления, приведенные ниже. Способ иллюстрации функциональных возможностей логического элемента заключается в представлении таблицы истинности для полного набора ортогональных двухфотонных основных состояний. Две таблицы, приведенные ниже, соответствуют ожидаемым таблицам истинности нашего логического элемента при измерении конечного спинового состояния в состоянии |↑〉 или |↓〉, соответственно.

В этой таблице рассеяние в различные моды с потерями не показано явным образом, что является причиной того, что общая вероятность в каждой из строк не добавляется к единице. Вероятность потери показывает, как часто один из двух фотонов входного состояния теряется, то есть в таблицу включены только события, когда оба входных фотона пробегают по цепи. Погрешности в верхнем левом квадранте таблицы (диагональные элементы) задаются вероятностью успешного прохождения одиночного фотона по цепи в плечо 2₂', но без переворота основного спинового состояния квантовой точки, (1-β_dir)², тем самым поддерживая переход σ₊ активным. Она умножается на вероятность правильного прохождения последующего целевого фотона через интерферометр Маха-Цендера после взаимодействия с переходом σ₊, β_dir². В нижнем правом квадранте вероятности задаются вероятностями прохождения через интерферометр Маха-Цендера, содержащий активный переход. Нижний левый и верхний правый квадранты являются полностью нулевыми, поскольку отсутствует взаимное влияние плеч 1₂' и 2₂'. Здесь мы предположили, что все короткие импульсы в детекторе обусловлены фотонами в нашей цепи, а дополнительные погрешности будут создаваться в экспериментальных реализациях из-за ненулевых фоновых и темновых счетов.

Изобретение было описано со ссылкой на преимущественные варианты осуществления. Однако объем изобретения не ограничен показанными вариантами осуществления, и изменения и модификации могут быть осуществлены без отступления от объема изобретения, который определен нижеследующей формулой изобретения.

Перечень ссылочных позиций

Реферат

Группа изобретений относится к оптическим устройствам, содержащим волновод для считывания квантовых излучателей. Оптическое устройство содержит планарный волновод и квантовый излучатель. Планарный волновод содержит простирающуюся в продольном направлении направляющую область с первой стороной и второй стороной. На первой стороне направляющей области расположена первая наноструктура. На второй стороне направляющей области расположена вторая наноструктура. Планарный волновод включает в себя продольную область, где первая наноструктура и вторая наноструктура расположены по существу симметрично в плоскости скольжения относительно направляющей области планарного волновода. Квантовый излучатель связан с первой продольной областью планарного волновода. Квантовый излучатель внедрен в направляющую область планарного волновода так, что излучатель является однофотонным излучателем и излучает фотоны в моде с круговой поляризацией. Продольная область планарного волновода поддерживает моды, когда электрические поля имеют круговую поляризацию в плоскости планарного волновода в положении квантового излучателя. Таким образом, фотоны из однофотонного излучателя эффективно вводятся в планарный волновод. Технический результат заключается в получении волновода, обеспечивающего эффективное считывание на кристалле квантовых излучателей, имеющих дипольные моменты переходов с круговой поляризацией. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 8 ил., 2 табл.

Формула