光子的轨道角动量（OAM，orbital angular momentum）能够形成一个无限维完备的Hilbert 空间，是一种具有无限维度的独特物理自由度。在信息处理中，光子的轨道角动量可以大幅度增加经典和量子信息处理的容量。具有轨道角动量的单光子源是高维量子信息处理的关键器件，此前的实现方案是非线性参量下转换加螺旋相位片，其固有的概率性和低效率制约了大容量高维量子信息处理的发展。为突破这一瓶颈，中山大学王雪华、刘进教授研究团队提出、设计并制备出一种基于GaAs半导体微环谐振腔的量子光源结构，实现了触发式高亮度的轨道角动量单光子源。

将半导体单量子点嵌入角向光栅微环谐振腔中，可使量子点与具有轨道角动量的微腔模式实现高效耦合，增强量子点的发光效率，进一步利用角向光栅实现了对单光子进行向上散射。实验制备的关键在于是否能把量子点精确地位在微腔的最佳位置，通过利用已发展的定位精度达10 nm 的荧光成像精确定位技术和微纳加工制备技术，实现了量子点在角向光栅微环谐振腔中的精确定位，在国际上制备出光源亮度达0.23（4）的高亮度触发式轨道角动量单光子发射器件，如图1 所示。制备的光源亮度（每个脉冲的单光子产率）是以前方案在同样纯度下的7.9 倍【与Nat. Nanotechnol.12，1026 （2017）图1b 比较】，是目前所报道的最亮轨道角动量单光子源。

图1 高亮度触发式轨道角动量单光子发射器件

该研究工作是首次在半导体芯片上实现携带轨道角动量的单光子发射，推动半导体片上量子光源性能的按需调控和高维量子信息处理迈出非常重要的一步。此外，该器件与半导体加工工艺兼容，具有器件尺寸小，可集成、可扩展的优势，打破了大容量高维量子信息处理芯片缺乏高效可集成光源的困境，有望应用于芯片的高维量子通信、量子计算、量子存储等领域，对于发展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技术具有重要意义。

相关研究以“Bright solid-state sources for single photons with orbital angular momentum”为题发表在《Nature Nanotechnology》（链接：https：//www.nature.com/articles/s41565-020-00827-7）。

◆团队简介◆

王雪华，教授，中山大学副校长。教育部长江学者奖励计划特聘教授，国家有突出贡献政府特殊津贴获得者。国家973 计划（含重大科学研究计划）等重大项目的首席科学家。长期从事纳米光子学的理论和实验研究，在克服制约微纳光子高效的重大障碍（如散射、泄漏和吸收）以及高性能微纳光电子器件及其集成芯片的实现原理和技术等方面做出了重要的学术贡献。迄今已发表论文115篇，包括Nat.Nanotechnol.2篇、PRL7篇、Nat.Commun.2篇、Sci.Adv.1篇、Light：Sci.&Appl.2篇、Adv.Opt.Mater.3篇。

刘进，中山大学教授、博导。国家海外高层次青年人才、教育部长江学者奖励计划特聘教授。长期从事微纳光学和量子光学的实验研究工作，在固态量子光源与微纳激光器以及高性能半导体微腔等领域进行科研攻关。迄今已发表论文50余篇，包括Nat.Nanotechnol.4篇，PRL2篇。研究成果曾入选2008年度中国光学重要进展、2019年中国高校十大科技进展和2019年度中国光学十大进展。任Science Bulletin等期刊的编委，担任CELO（2018-2020）CLEP-PR的TPC Member和ACP 2020专题主席。