МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2014, том 43, № 5, с. 323-336
КВАНТОВЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ
УДК 530.145
КВАНТОВЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ НА КВАНТОВЫХ ТОЧКАХ В ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ МИКРОРЕЗОНАТОРАХ. ЧАСТЬ I. © 2014 г. А. В. Цуканов, И. Ю. Катеев
Физико-технологический институт Российской АН E-mail: tsukanov@ftian.ru, ikateyev@mail.ru Поступила в редакцию 03.2014 г.
Рассматриваются твердотельные гибридные системы, которые образованы взаимодействующими полупроводниковыми квантовыми точками и высокодобротными оптическими резонаторами на основе разнообразных дефектов в фотонных кристаллах. Дается общая информация о типах твердотельных оптических структур, а также приводятся сведения из теории, необходимые для описания их спектров и динамики. Во второй части анализируются основные экспериментальные данные, полученные за последние несколько лет. В третьей части обсуждаются варианты применения таких систем в квантовых информационных технологиях.
DOI: 10.7868/S0544126914050081
1. ВВЕДЕНИЕ
В конце ХХ века были разработаны и изготовлены оптические системы, в которых область локализации фотонов ограничивается объемом
V ~ X3, где X — длина волны фотона [1]. Подбирая определенным образом материал и геометрию этих объектов, оказывается возможным задавать и контролировать их спектральные свойства. К подобным системам относятся волноводы и фотонные кристаллы, обладающие непрерывным спектром с зонной структурой, а также резонаторы, спектр которых представлен набором хорошо различимых дискретных мод. Существует несколько разновидностей таких оптических резонаторов, изготавливаемых на основе полупроводниковых, диэлектрических и металлических микро- и наноструктур. Это брэгговские слоистые резонаторы, микродиски, микросферы и микрокольца, поддерживающие моды шепчущей галереи, и дефекты в фотонных кристаллах [2—4].
Фотонный кристалл (ФК) представляет собой пространственно-неоднородную структуру с показателем преломления, меняющимся периодически в масштабах, которые сопоставимы с длиной волны фотона. Поэтому энергетический спектр фотона в ФК во многом схож со спектром электрона, движущегося в атомном кристалле, и состоит из чередующихся разрешенных и запрещенных наборов частот (зон) [5—7]. Формируя в некоторой области периодической структуры ФК дефекты, можно создавать в запрещенной зоне его спектра разрешенные фотонные состояния (т.н. дефектные моды), поля которых локализованы в данной области. Таким образом, дефектная
область в ФК представляет собой оптический резонатор с характерными размерами 0.5—50 мкм, и часто называется микрорезонатором (МР). Интересной и важной в практическом отношении особенностью является взаимная модификация спектральных свойств МР и некоторой квантовой системы, расположенной рядом или внутри его, при условии, что их частоты близки.
Рассмотрим подробно класс твердотельных оптических устройств, где роль такой системы играет полупроводниковая квантовая точка (КТ) [8, 9]. Как мы увидим, современные технологии позволяют реализовать разнообразные варианты дизайна гибридных структур, в которых одиночные КТ или их ансамбли интегрируются в МР, а вспомогательная аппаратура обеспечивает управление их общей квантовой эволюцией [10]. Цель работы — дать читателю краткое, но по возможности полное представление как о теоретических подходах, так и об экспериментальных методах в исследовании подобных систем. В первой части данного обзора мы познакомимся с типами структур на основе КТ и МР и способах их частотной настройки. Кроме того, будут даны элементы теории, описывающей специфические квантовые явления и процессы, которые свойственны данным системам. Во второй части основное внимание будет сфокусировано на экспериментальных результатах, полученных за последние несколько лет. Третья часть обзора будет посвящена их применению в квантовой информатике и криптографии. (Мы будем рассматривать только одиночные МР; более сложные фотонные структуры из нескольких резонаторов, называемые фотонными молекула-
(а)
(б)
Рис. 1. AFM-изобрaжения (а) неупорядоченного ансамбля InGaN КТ [18] и (б) упорядоченного ансамбля 1пА КТ [19].
ми, были изучены нами ранее в обзорных работах [11, 12].)
2. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ФОТОННЫХ СТРУКТУР С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ
Мы начинаем знакомство с устройствами, принципы работы которых базируются на использовании эффектов взаимодействия КТ и МР, с описания их отдельных компонент. С точки зрения надежности и компактности, а также простоты изготовления, предпочтительнее работать с КТ представляющими собой естественные полупроводниковые кристаллиты с характерными размерами 1—50 нм, которые имеют форму выпуклых многогранников [13—15]. Неконтролируемый фазовый переход Странского—Крастанова приводит к образованию
ансамбля таких КТ в области "смачивающего" слоя гетероструктуры (см., например, работы [16—18]). Данный ансамбль содержит большое количество (несколько сотен на 1 мкм2) КТ (рис. 1а), форма, размеры и ориентация (и, как следствие, частота оптических переходов) которых подчиняются распределению Пуассона, на что указывают данные спектроскопических наблюдений. Очевидно, что в целях повышения эффективности контроля электронного состояния одиночных КТ и расширения возможностей проектирования приборов было бы очень желательно уметь создавать упорядоченные массивы КТ с заданной конфигурацией и унифицированными параметрами. Подобные технологии находятся в стадии развития, но уже сейчас позволяют формировать такие массивы [19] (рис. 1б). Весьма эффективна методика литографического образования затравочных отверстий в поверхностном слое, на котором выращивают как одиночные, так и двойные КТ [20]. Авторам работы [21] удалось получить треугольную решетку пирамидальных углублений в слое ОаАз, в которых и были затем сформированы КТ (1пОаАз) с точностью позиционирования <50 нм. После завершения стадии самоконденсации КТ поверхность образца заращивается слоем полупроводника. Для облегчения последующей обработки на поверхность наносятся маркеры [22], служащие ориентирами, например, при травлении решетки отверстий фотонного кристалла.
Существует несколько типов полупроводниковых фотонных структур, в которых обычно формируются КТ. Наиболее распространенным классом МР, содержащих КТ являются дефекты в одно-[23], двух- [24—28] и трехмерных [29, 30] фотонных кристаллах (ФК), см. рис. 2а—2в. Данные дефекты представляют собой пропущенные отверстия в периодической решетке отверстий ФК, модулирующей показатель преломления полупроводника. Частоты фотонных мод, связанных с дефектами, находятся в запрещенной зоне спектра ФК и обладают высокой степенью дискретности, а их поля сосредоточены в области дефектов. Эти важные характеристики задаются как материалом и геометрическими параметрами решетки ФК, так и формой и размерами дефекта. Более того, разработаны способы их изменения уже после изготовления структуры (см. ниже). Линейная структура одномерного ФК (фактически, цепочка отверстий) ограничивает возможности дизайна дефектных структур на его основе. Напротив, многочисленные дефекты в двумерном ФК классифицируются в зависимости от расположения и количества пропущенных отверстий: 81 (одно пропущенное отверстие в квадратной решетке [26]), L3 (три пропущенных отверстия в треугольной [27]), Н1 (одно пропущенное отверстие в гексагональной решетке [28]) и др. Извест-
(а)
(г)
(в) (е)
Рис. 2. 8ЕМ-изображения МР на основе (а) одномерного ФК [23], (б) двумерного ФК [25], (в) трехмерного ФК [29], (г) слоистого резонатора Брэгга [32], (д) микродиска [33], (е) микротороида [34].
ны также дефекты, представленные отверстиями с размерами, отличными от стандартных отверстий ФК [31]. Однако, они не получили широкого распространения из-за невозможности расположить КТ в максимумах полей локализованных мод, находящихся в центре дефектного отверстия. Изготовление трехмерных ФК, содержащих КТ, с добротностью ~104 представляет собой достаточно сложную задачу. Структура такого ФК обычно представляет собой "поленницу", собранную из некоторого количества плоских полуМИКРОЭЛЕКТРОНИКА том 43 № 5 2014
проводниковых слоев с вытравленными прямо -угольными областями вдоль одного направления [29]. Другой пример — система, состоящая из слоистого резонатора Брэгга на основе полупроводниковой гетероструктуры с активным КТ-слоем [32], рис. 2г. Большой интерес привлекают к себе и резонаторы, поддерживающие моды шепчущей галереи, такие, как микродиски [33] (рис. 2д) и микротороиды [34] (рис. 2е). Технология производства упорядоченных массивов КТ методом управляемой самоконденсации позволяет полу-
чать квазилинейные цепочки КТ вдоль краевой области диска, где амплитуда полей его собственных мод имеет максимальное значение [35].
Гибридные системы на основе КТ, расположенных в объеме резонатора, могут применяться для разных целей. Во-первых, ансамбли КТ представляют собой оптически активную среду, возбуждаемую внешним лазерным полем и эмигрирующую фотоны вследствие рекомбинации образующихся в КТ экситонов. Этот эффект лежит в основе спектроскопического тестирования МР, частоты которых близки к частотам межзонных переходов ансамбля. Во-вторых, отдельные КТ, излучающие квантовое (субпуассоновское) поле, являются перспективными кандидатами на роль однофотонных источников и источников коррелированных фотонных пар. В-третьих, внутреннее состояние КТ (спиновое или орбитальное) может служить для кодировки квантовой информации в квантовых компьютерах.
Чтобы добиться эффективной гибридизации состояния КТ и квантовых фотонных полей МР, необходимо уметь контролировать оптическое состояние каждой из подсистем. Как следует из элементарной квантово-полевой модели взаимодействующих КТ и одномодового резонатора (см. п. 3), нетривиальные свойства, присущие состоянию гибридной системы, наиболее ярко проявляются при совпадении их частот, то есть в условиях резонанса. Ниже мы рассмотрим основные методы настройки частот КТ и МР. Она осуществляется как путем изменения оптических свойств МР, так и с помощью модификации энергетического спектра КТ. Один из самых простых и распространенных способов частотн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.