2026年3月4日——量子通信和光子量子计算等光基量子技术需要可靠的单光子源，理想情况下还需要纠缠光子对。半导体量子点是实现这一目标的有前途的候选者。这些纳米结构的电导率介于绝缘体和导体之间，能够束缚电子和空穴。当被激光激发时，这一特性使它们能以明确的频率发射光。

然而，传统制造方法存在显著局限：包括极高的点密度（难以分离单个发射源）、损害纠缠的结构不对称性、相对较长的发射时间，以及降低光质量的电子“噪声”。当前挑战在于制造更对称、更快、更可预测，且能发射更适合集成光子器件波长的量子点。

一项国际合作研究展示了一种新型半导体量子点制造策略，该策略能在保持理想光学特性的同时实现更长波长的光发射，适用于量子模拟、安全通信和光子计算等应用。该研究由巴西坎皮纳斯州立大学格列布·瓦塔金物理研究所的Saimon Filipe Covre da Silva主导，成果发表于《纳米快报》。

“我们的工作表明，可以在砷化铝镓中制备出具有低表面密度、快速光子发射和高结构对称性的砷化铟镓量子点，这些特性正是按需单光子和纠缠光子源的关键。”Silva解释道。

量子光学领域的许多开创性实验使用斯特兰斯基-克拉斯坦诺夫（SK）法生长的砷化铟镓量子点。这种外延生长模式涉及晶体在衬底上按晶格取向生长。20世纪30年代，保加利亚物理学家提出的理论模型描述了从层状生长到三维岛状结构的转变过程，这些“岛屿”即构成量子点。

虽然高效，但该方法存在量子点表面密度高、结构变异性大、约1纳秒的较长辐射寿命等缺陷，还会残留不利于光源性能的“润湿层”。这些特性不仅难以光学寻址单个量子点，还可能引发退相干现象，影响单光子或纠缠光子对的应用。

近年来，局部液滴蚀刻（LDE）法崭露头角。该方法通过外延生长形成金属液滴，在材料表面创建近乎相同的纳米空腔，可受控填充以制备高对称性、密度可调的量子点。

此前该技术主要用于制备发射波长受限（约815纳米）的砷化镓量子点。新研究突破了这个限制：“我们通过在砷化铝镓纳米腔中填充约1纳米厚的砷化铟镓薄层，获得了几乎无机械变形且具有优异光学性能的量子点。”研究人员强调。

铟组分比例从0.1到0.4的调节实现了发射波长的调控。微光致发光测量显示表面密度低至0.2-0.3个量子点/平方微米，辐射寿命短至300皮秒——比同光谱范围内SK法制备的砷化铟镓量子点快三倍。

研究主要成果包括将发射波长扩展至780-900纳米范围（10K低温下）。Silva指出：“这个波段对集成光子学尤为重要，因为砷化铝镓结构中的光散射和吸收损耗随波长增加而降低，同时兼容现有砷化铟镓量子点光学技术。”

另一个关键参数——精细结构分裂（FSS）的分析显示，其数值与液滴蚀刻法制备的最佳砷化镓量子点相当。这种微小数值表明其在量子密码学和量子网络中具有重要应用潜力。实验证实该光源几乎不会同时发射两个光子，完美符合可靠单光子源特性。

“低密度、高对称性、快速发射和扩展波长的结合，使这些新型量子点在集成量子光子学中极具前景。此外，s和p电子能级间更大的能量分离（可达砷化镓量子点的两倍）可能使量子器件在超过40K的温度下运行。”Silva补充道。

这些成果共同指向新一代固态量子光源，它们对退相干效应更具抵抗力，且更兼容可扩展量子器件架构。

该研究由圣保罗研究基金会（FAPESP）通过“面向电信频段的固态单光子源”项目（24/08527-2和24/21615-8号）资助，隶属于FAPESP量子技术计划（QuTIa）。