Electroabsorption in gated GaAs nanophotonic waveguides
我们报告了在薄GaAs/Al $_{0.3}$ Ga $_{0.7}$ As纳米光子波导与嵌入式$p$ - $i$ - $n$结的电吸收的分析。通过测量不同长度的波导的传输，我们推导出作为电场，波长和温度的函数的传播损耗。结果与Franz-Keldysh模型的电吸收延伸超过200 meV以下的GaAs带隙，即在910- 970 nm的波长范围内，在很好的协议。我们发现在正向偏压，我们归因于费米能级钉扎在波导表面，在室温下产生超过20 dB/mm的损失，一个显着的剩余吸收。这些结果对于理解在自组装InAs半导体量子点的发射范围内操作的纳米光子器件中的损耗的起源是必不可少的，从而实现可扩展的量子光子集成电路。
2021-02-11 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Hybrid Trapping of Cold Atoms with Surface Forces and Blue-Detuned Evanescent Light on a Nanophotonic Waveguide
Humboldt Universität zu Berlin（柏林洪堡大学）
利用表面力和蓝移倏逝光在光子波导上实现冷原子的混合捕获，实现了长存储时间和高相干时间，为中性原子量子技术提供新机遇。
2025-09-22 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
On-demand source of dual-rail photon pairs based on chiral interaction in a nanophotonic waveguide
纠缠是先进量子技术的燃料。例如，它在基于测量的量子计算中被消耗，并且允许对量子信息进行容损编码。在光子学中，纠缠传统上是概率性地产生的，需要大量的多路复用来扩展到许多光子。一种替代方法利用纳米光子器件中的量子发射器来确定性地生成单光子，其可以根据需要扩展到双光子和多光子生成。然而，所提出的偏振纠缠源与空间双轨量子比特编码不兼容，空间双轨量子比特编码在可扩展集成光子电路中实现的光子量子计算中是优选的。在这里，我们提出并实验实现了一个按需源的双轨光子对使用平面纳米光子波导中的量子点。该源利用双激子态的级联衰减和手性光物质耦合来实现确定性产生的空间双轨贝尔对的纠缠量由手性决定。操作原理可以容易地扩展到多光子纠缠产生，并且这样的源可以与先进的光子集成电路接口，例如，用于光子量子计算的纠缠资源态的有效制备。
2022-01-17 physics.optics quant-ph
Efficient bidirectional quantum frequency conversion between telecom and visible bands using programmable III-V nanophotonic waveguides
针对量子频率转换难以同时兼顾多性能指标的问题，本研究基于可编程InGaP纳米光子波导实现通信与可见光波段的双向QFC，以更低泵浦功率获得更高转换效率，支撑可扩展量子网络发展。
2025-11-18 physics.optics quant-ph
Efficient demultiplexed single-photon source with a quantum dot coupled to a nanophotonic waveguide
平面纳米结构允许从嵌入其中的量子发射器中近乎理想地提取发射，从而实现确定性的单光子源。这样的源可以通过实施主动时间到空间模式解复用转换成M个单光子源。我们报告实现这样的解复用源的基础上嵌入在纳米光子波导的量子点。利用高效光栅耦合器获得了从波导到单模光纤的高效外耦合（>60%）。作为概念验证，通过使用端到端效率>81%的电光调制器到单模光纤中，证明了到M=4个空间信道的主动解复用。总的来说，我们证明了四光子符合率>1赫兹，即使在非共振激发的量子点。电流源的主要限制是对应于所需转变的有限制备效率的其它激子转变的残余布居。我们定量提取的制备效率为15%，使用二阶关联函数测量。该实验突出了平面纳米结构作为高效多光子源的适用性，通过时间到空间的解复用，并制定了一个明确的路径方式，如何扩大规模，以证明量子优势与量子点源。
2019-03-21 physics.optics quant-ph
Quantum state transfer between a frequency-encoded photonic qubit and a quantum dot spin in a nanophotonic waveguide
我们提出了一个确定性的，但完全被动的计划，从一个频率编码的光子的量子态的量子点的自旋介导的纳米光子波导。我们通过研究所有相关实验缺陷对状态转移保真度的影响来评估状态转移的质量。我们表明，超过95%的传输保真度是可以实现的实验现实的参数。我们的工作为定制频率编码光子量子比特的确定性固态量子网络奠定了基础。
2022-03-07 quant-ph
Super-radiant emission from quantum dots in a nanophotonic waveguide
未来可扩展的光子量子信息处理依赖于将多个相互作用的量子发射器集成到单个芯片中的能力。量子点提供了理想的片上量子光源。然而，实现芯片上多个量子点之间的量子相互作用是一项具有挑战性的任务，由于其频率和位置的随机性，需要本地调谐技术和远程量子相互作用。在这里，我们展示了纳米光子波导上遥远的两个量子点之间的量子相互作用。我们通过将量子点集成到纳米光子波导的相同光学模式来实现光子介导的远程相互作用，并通过将片上热调谐器结合来克服光谱失配。我们观察到它们的量子相互作用的超辐射发射的形式，其中两个点集体发射速度比每个点单独。从集成的量子发射器产生超辐射发射可以使紧凑的芯片集成的光子结构表现出长程量子相互作用。因此，这些结果代表了朝着建立由半导体芯片上的多个相互作用的量子发射器组成的光子量子信息处理器迈出的重要一步。
2018-04-10 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Deterministic positioning of nanophotonic waveguides around single self-assembled quantum dots
在纳米光子结构中的预定位置嵌入自组装量子点（QD）的能力是复杂量子光子架构发展的关键。在这里，我们证明了量子点可以确定性地定位在纳米光子波导通过预先定位量子点相对于一个全球的参考系，使用微光致发光（$μ$ PL）光谱。纳米薄膜化后，$μ$ PL图像显示波导的中心轴和嵌入的QD之间的错位仅为$(9\pm46$）nm和$(1\pm33$）nm，对于嵌入在未掺杂和掺杂膜中的QD，分别。量子点位置的先验知识使我们能够研究纳米纤维引入的光谱变化。我们记录的平均光谱位移范围从0.1至1.1 nm，表明制造引起的位移一般可以通过电或热调谐的量子点进行补偿。最后，我们量化的极化率，永久偶极矩和发射频率在消失的电场不同的量子点电荷状态的纳米纤维的影响，发现这些变化是恒定的，只有70 nm的量子点表面分离。因此，我们的方法确定性地将量子点集成到纳米光子波导中，其光场包含纳米级结构，并且其群指数在纳米级上变化。
2020-08-03 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Enhanced cooperativity for quantum-nondemolition-measurement--induced spin squeezing of atoms coupled to a nanophotonic waveguide
我们研究了纳米光子波导附近原子-光界面中协同效应的增强，并将其应用于原子自旋的量子非破坏（QND）测量。这里，每个原子的协同性由测量强度与退相干率之间的比率确定。反直觉地，我们发现，通过将原子放置在一个方位角的位置，引导探测模式具有最低的强度，我们增加了合作。这是因为QND测量强度取决于探针和被引导到正交偏振模式中的散射光之间的干涉，而退相干速率取决于探针的局部强度。因此，通过适当地选择几何形状，对于高度各向异性模式，良好散射与不良散射的比率可以大大增强。我们应用这一点来研究自旋压缩所造成的QND测量自旋投影噪声通过法拉第效应在两个纳米光子的几何形状，一个圆柱形波导和方形波导。我们发现，大约2500个原子和使用现实的实验参数，$ \sim 6.3 $和$ \sim 13 $ dB的压缩可以分别实现在矩形和方形波导。
2018-03-15 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Anti-Parity-Time Symmetry in Passive Nanophotonics
非厄米光学系统中的宇称-时间（PT）对称性保证了在保守光学中没有的独特的光学效应和应用。它的对应物，反PT对称性，订阅了另一类有趣的光学现象，并暗示了奇异光操纵的互补技术。尽管取得了令人兴奋的进展，但到目前为止，反PT对称性仅在大体积系统或具有光学增益的系统中实现。在这里，我们报告了一个片上实现的非厄米光学与反PT对称性，通过使用一个完全无源的，纳米光子平台组成的三个倏逝耦合波导。通过在中心波导上沉积金属薄膜引入强损耗，实现了抗PT系统。利用微加热器调节波导的折射率，观察到了诸如等功率分裂、同步幅度调制、相位控制耗散以及从反PT对称到其破缺相位的转变等惊人的行为。我们的研究结果突出了奇异的反厄米纳米光子学与同一芯片上的传统电路相结合，从而可以为量子光学研究和可扩展的信息处理创建有价值的芯片器件。
2020-03-24 physics.optics quant-ph
Entanglement properties of a quantum-dot biexciton cascade in a chiral nanophotonic waveguide
该研究针对量子点双激子级联耦合手性纳米光子波导产生的路径纠缠光子态，构建了考虑多种实验缺陷的纠缠度模型，验证了该方案在集成纳米光子系统中确定性产生纠缠的应用潜力。
2023-05-25 quant-ph
Quantum Nonlinear Optics with a Germanium-Vacancy Color Center in a Nanoscale Diamond Waveguide
我们展示了一个量子纳米光子学平台的基础上锗空位（GeV）的色心在光纤耦合金刚石纳米光子波导。我们表明，GeV的光学跃迁具有高的量子效率，并在这样的纳米光子结构的寿命几乎加宽。这些属性产生波导光子和单个GeV之间的有效接口，而无需使用腔或慢光波导。结果，单个GeV中心在单次通过中在谐振时将波导传输减少$18 \pm 1\%$。我们使用纳米光子干涉仪进行零差探测的GeV共振荧光。通过探测输出光场的光子统计，我们证明了GeV波导系统在单光子水平上是非线性的。
2017-06-01 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Experimental reconstruction of the few-photon nonlinear scattering matrix from a single quantum dot in a nanophotonic waveguide
相干光子-发射极界面提供了一种介导有效的非线性光子-光子相互作用的方法，这对于量子信息处理是非常需要的。在这里，我们实验研究的情况下，一个两级发射器，一个量子点，耦合到一个单一的光学模式的纳米光子波导。我们进行了少光子输运实验，并记录了光的统计数据，以重建1-和2-光子分量的散射矩阵元。这对包含丰富多体物理的复杂非线性光子相互作用提供了直接的认识。
2021-01-14 quant-ph
Quantum-statistical approach to electromagnetic wave propagation and dissipation inside dielectric media and nanophotonic and plasmonic waveguides
量子统计效应发生在电磁（EM）波在电介质或超材料内的传播期间，所述电介质或超材料包括具有耗散和噪声的一大类纳米光子和等离子体波导。利用线性介质中薛定谔方程和麦克斯韦方程组之间的形式类比，我们严格推导出描述这种传播的有效哈密顿算子。该算子在一般情况下基本上是非厄米的，在某些特殊情况下是伪厄米的。使用一般的非厄米哈密顿密度算子的方法，我们推导出一个主方程，描述的统计合奏的电磁波模式。该方法还描述了在波的传播过程中发生的量子耗散和退相干过程，并且，除其他外，它揭示了控制上述材料内部的能量和信息损失所必需的条件。
2016-09-15 cond-mat.stat-mech physics.optics quant-ph
Efficient quantum dot single photon extraction into an optical fiber using a nanophotonic directional coupler
我们展示了一种光谱宽带和高效的技术，用于收集从单个InAs量子点直接进入标准单模光纤的光致发光。在这种方法中，光纤锥形波导与具有嵌入式量子点的悬挂GaAs纳米光子波导接触放置，形成具有标准光纤输入和输出的高效宽带定向耦合器。在几十纳米的波长范围内的有效的光致发光收集被证明，和一个单一的量子点激子到单模光纤的最大收集效率为6.05%（相应的单光子速率为3.0 MHz）估计。
2011-09-27 physics.optics quant-ph
Efficient photon-pair generation in layer-poled lithium niobate nanophotonic waveguides
针对现有铌酸锂光子对源制备可靠性差或效率低的问题，提出层极化铌酸锂纳米光子波导，通过层状极性反转增强非线性相互作用，实现高效光子对产生，且制备可靠性更高、环境鲁棒性更强，适用于量子信息相关领域。
2024-05-17 physics.optics quant-ph
Collective Interactions in an Array of Atoms Coupled to a Nanophotonic Waveguide
利用极化激元作为系统本征态的概念，研究了与一维纳米光子波导强耦合的囚禁原子晶格。我们采用了P.W. Anderson和V.M. Agranovich，将激发自旋半算符转换为相互作用的玻色子，这里显示的证实了硬核玻色子模型。我们推导出极化激元-极化激元运动学相互作用，并通过求解散射问题来研究它们。利用激发光子失谐量作为控制参量，我们研究了极化激元作为弱相互作用光子的机制，并提出了实现光子超流性的系统。我们实现的非线性光学过程的机制，提供了一个观察工具的系统属性，例如，在泵浦-探测实验中的相互作用强度产生蓝移的运动相互作用。
2013-10-23 quant-ph
Photon scattering by an atomic ensemble coupled to a one-dimensional nanophotonic waveguide
研究了单光子脉冲与耦合到一维波导中的$Λ$型三能级原子系综相互作用系统的量子散射。采用有效非厄米哈密顿量，研究了波导模介导的原子间的集体相互作用。在我们的方案中，原子沿着一维波导的轴随机地放置在晶格中，这与实验中原子位置不能精确控制的实际情况非常吻合。在我们的波导-原子系统中出现了许多有趣的光学性质，如电磁感应透明（EIT）和光学深度。此外，我们还观察到在非共振情况下可以产生强的光子-光子关联和量子拍频，这为在实验中产生非经典光提供了一个有效的候选者。随着波导-发射极系统的研究进展，我们的方案在不久的将来可能是可行的。
2017-10-21 quant-ph
Coherent nonlinear optics of quantum emitters in nanophotonic waveguides
相干量子光学，其中光子与发射体的相互作用不会扰乱相位相干性，是许多量子光学效应和新兴技术的核心。耦合到纳米光子波导的固态发射器是量子器件的有前途的平台，因为这种组合是可扩展的。然而，由于发射器的固态环境的动态特性，在这些系统中达到完全相干是具有挑战性的。在这里，我们回顾了与纳米光子波导耦合的固态量子发射器的相干光-物质相互作用的进展。我们首先为准一维系统中的二能级系统的相干和非线性光-物质相互作用奠定了理论基础，然后对实验实现进行了基准测试。然后，我们讨论了高阶非线性，由于增加了不同频率的光子，更复杂的能级计划的发射器，并通过共享的光子模式的多个发射器的耦合。在整个过程中，我们强调了基于这些连贯的相互作用的应用程序和新效果的协议，实现它们所采取的步骤，以及仍然需要克服的挑战。
2019-12-17 quant-ph
Quantum optics with near lifetime-limited quantum-dot transitions in a nanophotonic waveguide
建立一个高效率的光子-发射极界面，其中本征线宽展宽仅受自发发射的限制，是量子光学中的关键步骤。它为相干光-物质相互作用开辟了一条途径，例如，产生高度不可分辨的光子、少光子光学非线性和光子-发射极量子门。然而，残余增宽机制是普遍存在的，需要加以打击。对于固态发射体，电荷和核自旋噪声是重要的，并且光子纳米结构对加宽的影响尚未澄清。通过共振传输实验，我们给出了嵌入纳米光子波导中的量子点的近寿命极限线宽。结果表明，单光子从量子点的散射可以通过$66 \pm 4 \%$的消光来实现，其消光受量子点与纳米结构的耦合而非线宽展宽的限制.这是通过将量子点嵌入电接触的纳米光子膜中来获得的。为获得更大的单光子消光提供了一条清晰的途径，即，该方法实现了在光频率下操作的固态完全确定性和相干的光子-发射极界面。
2018-02-07 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Erbium dopants in silicon nanophotonic waveguides
已建立的纳米纤维与有吸引力的材料特性相结合，使硅成为量子技术的一种有前途的材料，其中注入的掺杂剂即使在高温下也可作为具有高密度和优异相干性的量子比特。为了连接和控制这些量子比特，将它们与纳米光子波导中的光连接起来提供了独特的前景。在这里，我们提出了在这种波导中注入铒掺杂剂的共振光谱。我们克服了限制早期研究的高掺杂和带隙以上激发的要求。因此，我们观察到铒掺入在定义良好的晶格位点减少了千倍的不均匀加宽约1 GHz和光谱扩散线宽下降到45 MHz。因此，我们的研究介绍了一种新的材料平台，用于实现片上量子存储器，微波到光转换，和分布式量子信息处理，具有独特的功能，在光纤通信的主要波长波段的操作。
2020-05-04 physics.app-ph quant-ph
Modified dipole-dipole interactions in the presence of a nanophotonic waveguide
本研究针对纳米光子波导附近发射体间偶极-偶极相互作用解析难、数值成本高的问题，提出了可拓展的精确计算方法，并通过圆柱形纳米光纤的透射信号计算验证了相互作用微小改变对可观测量的显著影响。
2023-08-18 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Directional nanophotonic atom--waveguide interface based on spin--orbit interaction of light
玻璃纤维形式的光波导是全球电信网络的骨干。在这样的光纤中，光通过在具有较高折射率的纤芯和较低折射率的包层之间的界面处发生的连续全内反射而被长距离地引导。虽然这种机制确保没有光从波导中逃逸，但它会在包层中产生倏逝场。虽然在标准光纤中保护该场不与环境相互作用，但是通常在空气或真空包层光纤中采用该场，以便使用例如，锥形光纤耦合器值得注意的是，后者所施加的强限制可以导致光的自旋和轨道角动量的显著耦合。利用这一效应，我们证明了受控的方向自发发射的光量子发射到一个亚波长直径的波导。在一个范例设置，包括铯原子位于附近的真空包覆的二氧化硅纳米粒子的影响进行了研究。我们实验观察到的不对称性高于10：1的发射率到对向传播的基本导模的双折射。此外，我们证明，这种不对称性可以定制的状态准备和适当的激发的量子发射器。我们希望我们的研究结果将有重要的影响，在纳米光子学和量子光学的研究和实现集成的光信号处理的经典以及在量子制度。
2014-06-20 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Single-photon detection and cryogenic reconfigurability in Lithium Niobate nanophotonic circuits
铌酸锂绝缘体（LNOI）由于其高的二阶非线性和紧凑的波导基底面而成为集成量子光子技术的一个有前途的平台。重要的是，LNOI允许创建电光可重构电路，其可以在低温下有效地操作。它们与超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的集成为实现可扩展的光子器件铺平了道路，用于主动操纵和检测光的量子态。在这里，我们报告这两个关键组件集成在一个低损耗（0.2 dB/cm）LNOI波导网络的第一次演示。作为我们的技术的实验展示，我们演示了一个电调谐马赫-曾德尔干涉仪和两个波导集成SNSPD在其输出的组合操作。我们展示了系统的静态可重配置性，可在12小时内无偏置漂移操作，以及高达1 GHz频率的高速调制。我们的研究结果为在LNOI平台上实现复杂的量子光子器件提供了蓝图。
2021-11-25 physics.optics quant-ph
Interaction signatures and non-Gaussian photon states from a strongly driven atomic ensemble coupled to a nanophotonic waveguide
我们从理论上研究了激光驱动的一维原子链与纳米光子波导的导光模的界面。可以选择链的周期和激光场的取向，使得发射主要发生在单个导模中。我们发现荧光激发线的形状随着原子数的增加而改变，最终经历分裂，为波导介导的全对全相互作用提供了证据。值得注意的是，在强驱动的情况下，发射到波导中的光是非经典的，具有相关的维格纳函数的显著负性。我们表明，无论是发射特性和非高斯特性的光是强大的对原子链中的空隙，使这些影响的实验研究与当今的技术。我们的研究结果提供了一条通往新型光纤耦合量子光源的途径，并为探索通过光相互作用原子系综的物理学提供了一个有趣的视角。
2020-05-24 physics.atom-ph quant-ph
Suppressing phonon decoherence of high performance single-photon sources in nanophotonic waveguides
限制基于量子点的单光子源相干性的基本过程是与声子的相互作用。研究了声子退相干对悬浮纳米梁波导中量子点发射单光子不变性的影响。在低温下，不可逆性受到量子点和波导的基本振动模式之间的耦合的限制，并且对纳米束横截面内的量子点位置敏感。我们发现，这种退相干通道可以有效地抑制通过夹紧波导与低折射率的包层材料沉积在波导上。仅用几微米的包层材料，发射的单光子的相干性就大大提高了。我们表明，不可压缩的程度可以达到接近统一，并成为独立的量子点的位置。我们最后表明，包层材料可以起到双重作用，因为它也可以作为一种手段，有效地耦合单光子从纳米光子波导到光纤。我们的提议为基于平面纳米光子平台的不可区分单光子的高效光纤耦合源铺平了道路。
2018-06-15 cond-mat.mes-hall physics.app-ph quant-ph
Heating in Nanophotonic Traps for Cold Atoms
在纳米光子波导中被捕获并与光发生光学接口的激光冷却原子是量子光学基础研究以及量子通信和量子信息处理中的应用的强大平台。自从这种混合量子纳米光子的第一次实现以来，在各种实验环境中观察到的原子运动的加热速率通常超过可比的自由空间光学微陷阱中的加热速率约三个数量级。这种过度加热是实现某些协议和设备的障碍。它的起源至今仍然难以捉摸，在纳米光子陷阱中遇到的小于光波长的典型原子-表面分离处，许多效应可能潜在地有助于原子加热。在这里，我们从理论上描述了波导的机械振动对被引导的光场的影响，并提供了纳米光子陷阱中粒子-声子相互作用的一般理论。我们测试我们的理论，将其应用到激光冷却的铯原子的情况下，基于纳米纤维的双色光阱。我们发现预测的加热速率和实验测量值之间的定量协议。我们的理论预测，在这种情况下，占主导地位的加热过程源于光阱原子的光机械耦合的热占据弯曲机械模式的波导结构的连续。除了解开长期存在的基于纳米纤维的原子陷阱过度加热之谜，我们还研究了加热速率对相关系统参数的依赖性。我们的研究结果使我们能够提出几种策略，以尽量减少加热。最后，我们的研究结果也是高度相关的光学力学实验与介电纳米粒子，光学捕获接近纳米光子波导。
2019-11-19 cond-mat.quant-gas physics.optics quant-ph
Low power inelastic light scattering at small detunings in silicon wire waveguides at telecom wavelengths
当泵浦光束通过硅纳米光子波导传播时，很小一部分光被散射到其他频率。在非常低的强度下，散射光的量与泵浦光束的功率成比例。结果表明，在300-575 K温度范围内，散射强度呈线性增加，在0.4 THz <|ν| < 2.5 THz。对这些观测结果的最简单解释是泵浦光束在一维热激发浴上散射。最后，讨论了这种散射过程对硅纳米光子结构的量子光学应用的影响。
2012-03-18 physics.optics quant-ph
Imaging and localizing individual atoms interfaced with a nanophotonic waveguide
单粒子分辨荧光成像是冷原子物理学中的一项使能技术。然而，到目前为止，这种技术还不适用于纳米光子原子光接口。在这里，我们的图像单原子被捕获和光学接口使用光学反射镜。近共振光从原子散射并成像，同时通过简并拉曼冷却抵消加热机制。我们在150毫秒内检测被困原子，并记录给定原子的图像序列。在我们的技术的基础上，我们进行了两个实验，其条件是纳米纤维捕获原子的数量和位置。我们测量了纳米纤维引导的共振光的传输，并验证了其指数缩放在几个原子的限制，根据比尔-朗伯定律。此外，依赖于原子间的距离，我们观察到的两个同时被困原子发射到的光场的干涉。所展示的技术能够实现后选择和可能的反馈方案，从而为新一代量子纳米光子学实验开辟了道路。
2020-08-26 physics.atom-ph quant-ph
Single Photon Transport through an Atomic Chain Coupled to a One-dimensional Nanophotonic Waveguide
研究了单光子脉冲通过耦合到一维单模光子波导的线性原子链的动力学行为。我们推导了这个集体多体系统的含时动力学理论，它使我们能够研究光子输运和原子激发的实时演化。当只有一个原子时，我们的分析结果与以前的数值计算是一致的。对于一个原子链，由波导模式介导的原子间的集体相互作用可以显著地改变系统的动力学。光子的反射率可以通过改变耦合强度和光子线宽的比值或通过改变链中的原子数来调节。有限带宽的单光子脉冲的反射率甚至可以接近$100\%$。反射和透射光子的光谱也可以与单原子情况显著不同。在该系统中可以产生许多有趣的物理现象，如光子带隙效应、量子纠缠产生、类Fano干涉和超辐射效应等。在工程上，该系统可作为单光子频率滤波器、单光子调制器，并在量子信息中有重要应用。
2015-10-07 quant-ph
Parametric down-conversion photon pair source on a nanophotonic chip
量子光子芯片集成了量子光源、有源和无源光学元件以及单光子探测器，在光子量子信息处理和量子技术方面显示出巨大的潜力。成熟的半导体纳米制造工艺允许将这样的光子集成电路缩放到复杂性增加的片上网络。二阶非线性材料是在线性光学实验的绝大多数部分中使用体元件产生光子量子态的选择方法，但是在纳米光子芯片上与波导电路集成被证明是具有挑战性的。在这里，我们展示了这样一个片上参数下转换源的光子对的基础上的二阶非线性氮化铝微谐振器。通过测量具有接近理想状态纯度的预示单光子的高可见度反聚束，我们展示了我们的源用于量子信息处理的潜力。我们的下转换源工作在高亮度和低噪声，产生的相关光子对在兆赫率与高的巧合，以偶然的比率。产生的光子对在光谱上远离泵浦场，为实现足够的片上滤波和量子光源、波导电路和单光子探测器的单片集成提供了良好的潜力。
2016-03-11 physics.optics quant-ph
High Speed and High Efficiency Travelling Wave Single-Photon Detectors Embedded in Nanophotonic Circuits
超快、高量子效率的单光子探测器是现代量子光学和量子通信中最受欢迎的元件之一。高的光子探测效率对于可扩展的基于测量的量子计算、量子密钥分发和无环隙贝尔实验是必不可少的。然而，不完美的模式匹配和有限的光子吸收率通常限制了单光子探测器可达到的最大探测效率。在这里，我们展示了一个超导纳米线探测器顶部的纳米光子波导，使我们能够大大增加入射光子的吸收长度。当操作的检测器接近的临界电流，我们实现了高的芯片上的单光子检测效率高达91%，在电信波长，与波导光子通量的变化所决定的不确定性。我们还观察到非常低的暗计数率，而没有显着的妥协的检测效率。此外，我们的探测器完全嵌入在可扩展的硅光子电路中，并提供18ps的超短时间抖动。利用这种高的时间分辨率，我们证明了硅环形谐振器中的弹道光子输运。在芯片上直接实现这种具有高量子效率、高检测速度和低抖动时间的检测器克服了集成量子光子学中的主要障碍。
2012-04-04 physics.optics quant-ph
Scalable in operando strain tuning in nanophotonic waveguides enabling three-quantum dot superradiance
二十年来，对集成量子光学平台的追求一直激励着半导体量子点领域的研究。量子光源、单光子开关、晶体管和自旋光子接口的演示已经变得非常先进。然而，每个量子点都是不同的，这一基本问题阻碍了集成和扩展到几个量子点之外。在这里，我们通过局部相变图案化应变来解决这一挑战，以选择性地调谐嵌入光子架构中的单个量子点。该图案化是用GaAs波导表面上的薄HfO $_{2}$膜“鞘”的操作中激光结晶来实现的。使用这种方法，我们调整InAs量子点的发射能量在整个非均匀分布的步长下降到均匀的线宽和空间分辨率优于1 $μ$米。利用这些能力，我们将多个量子点调谐到同一波导内的共振，并通过三个量子点的超辐射发射来演示量子相互作用。
2020-01-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Chiral emission into nanophotonic resonators
手性发射，其中跃迁偶极子的手性决定了光子发射的方向，最近已经从耦合到纳米光子波导的原子和量子点中观察到。在这里，我们考虑共振纳米光子结构中手性光-物质相互作用的情况，推导出描述这些相互作用的基本量子电动力学量的封闭形式表达式。我们展示了如何使用计算效率高的二维本征模模拟参数，如位置相关的，方向性的Purcell因子和模式体积。作为一个例子，我们计算这些数量的原型环形谐振器的几何足迹只有4.5~ $μ$ m $^2$，显示出完美的方向性与同时Purcell增强400以上是可能的。如果纳米光子手性界面要形成量子线路和网络的元素，确定这些基本性质的能力是至关重要的。
2018-06-04 physics.optics quant-ph
Quantum acousto-optic control of light-matter interactions in nanophotonic networks
我们分析了在传播声波的存在下，原子或类原子发射器与纳米光子波导的耦合。具体来说，我们表明，强折射率调制引起的这种波可以大大修改有效的光子态密度，从而影响的强度，方向性，以及光子发射和吸收过程的整体特征。这些效应使得能够对波导结构中的光-物质相互作用进行完全的动态控制，即使在二维系统中，波导结构也可以用于沿着选定的方向并且以非常高保真度有效地交换单个光子。这种量子声光控制为各种量子网络应用提供了通用工具，从经由定向发射器-发射器相互作用的纠缠分布到经由声学传送带的单个光子量子态的路由。
2019-05-31 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Direct observation of non-linear optical phase shift induced by a single quantum emitter in a waveguide
该研究直接观测到波导中单个量子点与弱相干态作用产生的非线性光学相移，实现单光子级灵敏相移，为高效光开关及量子机器学习提供新途径。
2023-05-11 physics.optics quant-ph
Luminescence thermometry based on photon emitters in nanophotonic silicon waveguides
本文提出利用集成于硅波导的铒发射体发光进行测温，结合高温非辐射衰减与低温能级去布居机制，实现2–295 K范围高灵敏、高精度且可达纳米级分辨率的温度测量。
2025-02-05 cond-mat.other quant-ph
Quantum interference of electromechanically stabilized emitters in nanophotonic devices
远距离物质量子比特之间的光子介导耦合可以实现长距离的安全通信，分布式量子计算方案的实现，以及多体量子动力学新机制的探索。耦合到固态量子发射器的纳米光子器件代表了实现这些目标的一种有前途的方法，因为它们结合了强的光-物质相互作用和高的光子收集效率。然而，这些方法的可扩展性受到固态发射器之间的频率失配及其光学跃迁的不稳定性的限制。在这里，我们提出了一个纳米机电平台的稳定和调整的光学跃迁的硅空位（SiV）的颜色中心在金刚石纳米光子器件通过动态控制其应变环境。这种基于应变的调谐方案具有足够的范围和带宽，以减轻各个SiV中心之间的光谱失配。使用应变，我们确保色心光学跃迁之间的重叠，并通过测量从金刚石波导收集的光子的相关性来观察纠缠的超辐射态。这个用于调谐纳米光子波导和谐振器中光谱稳定色心的平台构成了迈向可扩展量子网络的重要一步。
2019-02-22 physics.app-ph physics.optics quant-ph
On-chip deterministic operation of quantum dots in dual-mode waveguides for a plug-and-play single-photon source
相干单光子的确定性源是量子模拟器的量子信息处理的使能设备，最终是成熟的量子互联网。纳米光子结构中的量子点（QD）已被用作单光子的优良源，并且平面波导非常适合于扩展到多光子和发射器，探索接近统一的光子-发射器耦合和先进的有源片上功能。一个理想的单光子源需要抑制噪声和退相干，这在电接触异质结构中得到了显著的证明。实现产生相干单光子所需的QD的确定性共振激发仍然是一个挑战，因为来自激发激光器的残余光应该被抑制而不损害源效率和可扩展性。在这里，我们提出了一种新的平面纳米光子器件的设计和实现，使确定性的脉冲共振激发量子点通过波导。通过纳米结构工程，激发光和收集的光子在两个正交的波导模式中被引导，从而实现确定性操作。我们展示了一个相干单光子源，同时实现高纯度（$g^{(2)}(0)$ = 0.020 $\pm$ 0.005），高不稳定性（$V$ = 96 $\pm$ 2%），和$>$ 80%的耦合效率到波导。这种新颖的“即插即用”相干单光子源可以在无人驾驶的情况下运行数天，并将立即得到应用，例如，用于构造光子量子计算或传感的预示的多光子纠缠源。
2020-01-29 physics.optics quant-ph
Probing local density of states near the diffraction limit using nanowaveguide coupled cathode luminescence
光子局域态密度（PLDOS）决定了纳米光子器件中光与物质相互作用的强度。对于标准介电器件，PLDOS基本上受衍射限制，但其对器件尺寸参数$s$的精确依赖性可能是重要的。在这里，我们测量PLDOS的尺寸参数的波导中使用一种新的技术-波导耦合阴极发光（CL）。我们观察到，根据波导横截面内的位置，PLDOS的有效衍射极限的变化，PLDOS峰形的变化。我们的研究结果是至关重要的优化耦合到纳米光子器件，也开辟了新的途径，光谱的基础上倏逝耦合CL。
2021-06-11 physics.optics quant-ph
Evaluation of graphene optical nonlinearity with photon-pair generation in graphene-on-silicon waveguides
我们通过对自发四波混频产生的光子对的符合测量来评估硅基石墨烯波导的非线性系数。我们观察到的时间相关的光子对从波导在各种转移布局的石墨烯片。使用耦合波方程对实验结果进行简单分析表明，原子级薄的石墨烯片将硅波导的非线性增强了10倍。结果表明，纯$χ^{(3)}$基石墨烯的有效非线性折射率为$10^{-13}$ m $^2$ /W量级，为石墨烯基非线性光学在片上纳米光子学中的应用提供了重要的启示.
2020-03-20 physics.optics quant-ph
Telecommunications-band heralded single photons from a silicon nanophotonic chip
我们展示了在CMOS兼容的硅纳米光子器件中预示的单光子产生。耦合谐振器光波导（CROW）提供的强模式约束和慢群速度在电信波长处产生了大的四波混频非线性系数γ_eff ~4100 W^-1 m^-1。利用1549.6 nm的简并泵浦光进行自发四波混频，产生了1529.5 nm和1570.5 nm的光子对，符合与偶然比超过20。对信号光子（1529.5 nm）进行光子相关测量，探测到闲频光子（1570.5 nm），结果显示出反聚束效应，g^（2）（0）= 0.19 \pm 0.03。在硅平台内的单光子源的演示为未来的集成量子光子电路带来了希望。
2012-01-12 physics.optics quant-ph
Single photon emission from individual nanophotonic-integrated colloidal quantum dots
溶液可处理的胶体量子点对于实现嵌入可扩展量子技术平台的单光子源具有很大的希望。然而，在光子电路中大量可单独寻址的胶体量子点的高产量集成仍然是一个突出的挑战。在这里，我们报告将单个胶体核壳量子点（CQD）集成到纳米光子网络中，该网络允许通过单独的波导通道激发和有效收集单光子。一种迭代电子束光刻工艺提供了一种可行的方法，以将单个发射器定位在光子集成电路中的预定义位置处，其产量接近统一。我们的工作超越了共焦显微镜的体光学范例，为从大量同时可控的量子发射器提供单光子的芯片级量子网络铺平了道路。
2022-01-13 physics.optics quant-ph
Deterministic photon-emitter coupling in chiral photonic circuits
设计光子发射和光子散射的能力是现代光子学应用的核心，从光捕获到新型紧凑光源，再到基于单光子的量子信息处理。纳米光子波导特别适合于这种应用，因为它们将光子传播限制在1D几何形状，从而增加光和物质之间的相互作用。将手性功能添加到纳米光子波导导致新的机会，使集成和强大的量子光子器件或观察新的拓扑光子态。在规则波导中，量子发射器在两个方向中的任一方向上辐射光子，并且光子发射和吸收是相反的过程。这种对称性在纳米光子结构中被破坏，其中非横向局部电场意味着光子发射和散射都可以变成方向性的。在这里，我们的实验表明，量子发射器的内部状态决定了在一个专门设计的光子晶体波导的单光子发射的手征。在几乎所有发射的光子都耦合到波导的条件下，观察到具有大于90\%的方向性的单光子发射到波导中。这种确定性和高度定向的光子发射使得能够实现片上光学二极管、在单光子水平下操作的循环器和确定性量子门。基于我们的实验演示，我们提出了一个实验上可实现的和完全可扩展的确定性光子-光子CNOT门，到目前为止，在光子量子信息处理中，大多数门都是概率性的。
2015-01-12 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Single-Photon Switching and Entanglement of Solid-State Qubits in an Integrated Nanophotonic System
光子和量子发射器之间的有效界面形成了量子网络的基础，并使非线性光学器件能够在单光子水平上工作。我们展示了一个集成的平台，可扩展的量子纳米光子学的基础上硅空位（SiV）的色心耦合到纳米级金刚石器件。通过在金刚石光子晶体腔内放置SiV色心，实现了单色心控制的量子光开关。我们使用SiV亚稳态轨道状态控制开关，并通过光子相关测量在单光子水平上验证光开关。我们利用拉曼跃迁在金刚石波导中实现了频率和带宽可调的单光子源。最后，我们通过检测发射到单个波导中的不可分辨的拉曼光子来创建两个SiV中心之间的纠缠。利用光子相关测量中观察到的一种新的超辐射特征验证了纠缠，为量子网络的实现铺平了道路。
2016-08-18 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Engineering strong chiral light-matter interactions in a waveguide-coupled nanocavity
自旋相关的、定向的光-物质相互作用形成了手征量子网络的基础。在固态下，量子发射体通常具有具有自旋相关旋向性的圆偏振光学跃迁。我们数值证明，自旋相关的手征耦合可以实现通过嵌入这样的发射器在波导耦合的纳米腔，它支持两个近简并，正交极化腔模式。手性行为的出现是由于耦合到两个单模输出波导时腔模式之间的方向相关干涉。值得注意的是，实验上现实的腔体设计同时支持接近1的手性对比度、有效（$β> 0.95$）波导耦合和增强的光-物质相互作用强度（Purcell因子$F_P > 70$）。结合起来，这些参数可以使高度相干的自旋光子接口的发展，准备集成到纳米光子电路。
2022-01-28 physics.optics quant-ph
Dynamical theory of single-photon transport through a qubit chain coupled to a one-dimensional nanophotonic waveguide
本文研究单光子脉冲通过耦合到一维纳米光子波导的量子比特链的传输动力学，推导了含时动力学理论，揭示了正频率耦合条件导致的偶极-偶极相互作用和光谱对脉冲形状及初始距离的依赖，并给出了单、双量子比特的解析结果。
2024-02-07 cond-mat.mes-hall quant-ph
Small slot waveguide rings for on-chip quantum optical circuits
单发射器和光之间的纳米光子界面有望实现新的量子光学技术。在这里，我们使用有限元模拟和解析量子理论相结合的研究各种量子发射器与槽波导环的相互作用。我们预测，对于半径小到1.44 $μ$ m（Q = 27，900）的环，可以实现近1的发射极-波导耦合效率和1300量级的发射增强。通过调整环的几何形状或引入损失，我们表明，现实的发射极环系统可以是弱耦合或强耦合，使我们可以观察到拉比振荡的衰变动力学，即使是微米大小的环。此外，我们证明了槽波导环可以用于定向耦合发射，再次与近单位效率。我们的研究结果铺平了道路，集成固态量子线路涉及各种发射器。
2016-10-11 physics.optics quant-ph
Silicon nanophotonics for scalable quantum coherent feedback networks
相干量子反馈控制（CQFC）作为精确操纵复杂量子系统动力学的新范式的出现，导致了有效的理论建模和仿真工具的发展，并为新的实际实现开辟了途径。这项工作探讨了集成硅光子学平台实现可扩展的CQFC网络的适用性。如果被证明是成功的，这些网络的片上实现将为电信波长的自主量子信息处理设备和超低功率光学处理系统提供可扩展和高效的纳米光子组件。我们分析了CQFC应用的硅光子学平台的优势，并确定了理论形式和实验实现的关键挑战。特别是，我们确定具体的扩展理论CQFC框架（这是最初开发的批量光学实现铭记），需要使其完全适用于线性和非线性集成光学网络的建模。我们还报告了一个初步的实验，研究了两个耦合腔的原位可控硅纳米光子网络的性能，并使用CQFC形式主义分析该设备的属性的结果。
2016-11-08 physics.optics quant-ph
Modal input-output theory for quantum nanophotonics from the first-order Maxwell operator
Purdue University（普渡大学）
基于宏观量子电动力学和一阶电磁格林函数，为开放光子系统发展量子输入-输出理论，包含端口散射矩阵与朗之万噪声，并用于计算纳米光子腔和逆设计耦合器的发射体修正透射率。
2026-10-06 physics.optics quant-ph
Coupling colloidal quantum dots to gap waveguides
单光子发射器和集成光子电路之间的耦合是与量子信息科学和其他纳米光子应用相关的新兴课题。我们研究了胶体量子点的混合系统与氮化硅波导系统的传播隙模之间的耦合。我们进一步利用扫描探针技术研究了系统的光态密度，发现量子点与光子电路之间存在显著的耦合。我们的研究结果表明，一个可扩展的槽波导可能作为一个有前途的平台，在未来的发展集成量子电路。
2020-03-30 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Integrated diamond networks for quantum nanophotonics
金刚石是一种具有特殊物理和化学性质的独特材料，为实现具有新功能的高性能器件提供了潜力。例如，金刚石的高折射率、在宽波长范围内的透明性和大拉曼增益对于实现新型光子器件是令人感兴趣的。近年来，金刚石中的类原子杂质成为量子信息处理、量子传感和量子网络等领域的重要研究对象。对于这些和其他应用，开发基于金刚石的集成纳米光子平台至关重要。在这里，我们报告实现这样一个集成的金刚石光子平台，绝缘体上的金刚石（DOI），由一个薄的单晶金刚石膜上的绝缘二氧化硅/硅衬底。使用这种方法，我们展示了在宽波长范围内工作的金刚石环谐振器，包括可见光（630 nm）和近红外（1，550 nm）。最后，我们展示了一个集成的，片上量子纳米光子网络，由环形谐振器耦合到低损耗波导光栅耦合器，使单光子在室温下的产生和有效的路由。
2012-01-05 physics.optics quant-ph
Quadrature squeezing in a nanophotonic microresonator
针对集成光子学产生压缩光面临的寄生非线性与损耗难题，研究人员在带纳米波纹的氮化硅光子晶体微腔中，通过简并双泵浦自发四波混频实现7.8 dB片上单模正交压缩，为集成压缩光源应用提供新路径。
2025-02-24 physics.optics quant-ph
Single Photon Two-Level Atom Interactions in 1-D Dielectric Waveguide: Quantum Mechanical Formalism and Applications
本文提出了一个包含宏观哈密顿量的有效模型来描述一维介质波导中二能级原子与散射光的相互作用。所提出的形式主义，使我们能够将连续介质内的光学介质的变化的效果，同时证明了非经典的推导菲涅耳定律。我们得到了二能级系统的输运特性，探讨了它的高Q带阻滤波特性，并讨论了辐射和非辐射耗散的含义。此外，我们应用我们的形式主义修改的法布里-珀罗干涉仪，并显示其自发发射特性的变化与干涉仪长度。最后，我们结束进一步评论波导和腔量子电动力学之间的联系。
2018-07-04 physics.optics quant-ph
