由巴倫西亞大學材料科學研究所（ICMUV）領導的一個國際團隊開發出了一種光學量子開關，可以改變光子的發射特性，光子是電磁輻射的粒子。這種新器件具有超快的開關時間和非常低的能耗，與其他設計相比，它可以在各種半導體平臺上實現，在當前量子技術中具有很大的應用價值，其研究成果已發表在《通訊物理》期刊上，報告了這種光子開關的設計、建造、實驗測量和模擬。

工作原理是基於奈米結構半導體量子限制技術，這是一種奈米級能夠吸收和發射光的小結構。這些材料的光學性質被稱為量子點，類似於孤立原子的光學性質，其光發射發生光子對光子的發射。它們對於發展量子技術非常有趣，因為孤立的光子或成對的光子，可以用來重現重疊或糾纏的條件。目前，這一領域的科技挑戰之一是開發能夠用光子進行操作邏輯閘和光學電路，從而在量子描述下對資訊進行傳輸和修改。

因此，需要能夠單獨影響光子發射的工具和材質。在所有這些裝置中，那些利用光操縱和控制光子的裝置非常有趣，因為可以建造鏈式系統，或者它們可以代表能源消耗的大幅減少，全光裝置就是這種情況。這項研究的主要想法是與佛羅倫薩大學和歐洲非線性光譜實驗室的研究人員馬西莫·古里奧利合作產生。在此基礎上，根據照明鐳射器的功率和顏色研究了砷化銦(InAs)量子點中電荷的積累和飽和過程。

新器件的突出特性之一是，在臨時開關旁邊，如果使用兩個不同的鐳射器，則可以添加發射光子的顏色（波長）切換。這種特效能讓科學家們考慮按波長複用光子的裝置（組合傳輸介質中的兩個或多個資訊通道），使得光子每種顏色都與這些通道中的一個相關聯。最後，器件執行的物理原理可以通過許多其他量子限制奈米結構來實現，所以這種新的設計代表了一種可以在各種半導體平臺上實現的通用方案。

研究包括巴倫西亞大學材料科學研究所（ICMUV）的光電材料和器件部門(UMDO)，該部門由應用物理和電磁系教授胡安·P·馬丁內斯·帕斯特(Juan P.Martínez Pastor)領導。該裝置的主要材料是由義大利CNR研究員Luca Saravalli的團隊製造，而其操作的模擬是通過與澳洲ARC工程量子系統(EQUS)的Mattias Johnsson和Thomas Volz合作進行，Guillermo Muñoz在過去三年中一直在EQUS擔任高階研究員。

單半導體量子點已被廣泛用於演示高純單光子的確定性發射。這些奈米結構的單光子發射效能已經變得非常可控，研究提供了高水平的光子不可分辨和亮度。最終，量子技術將需要開發一套裝置來操縱和控制光子的狀態。新研究測量並模擬了一種新穎的全光路徑來切換單個半導體量子點中激子躍遷發出的單光子流。採用雙非共振激勵泵浦方案設計了一種具有GHz速度、高差值對比度、超低功耗和高單光子純度的開關器件。

參考期刊《通訊物理》

DOI: 10.1038/s42005-020-0292-8