靶心 在光子芯片内精确居中量子点

可追踪显微镜可以提高量子信息技术、生物成像等的可靠性。

捕获数百万个量子点发出的明亮光线的设备，包括芯片级激光器和光学放大器，已经从实验室实验过渡到商业产品。 但新型量子点设备上市的速度较慢，因为它们需要单个点与提取和引导发射辐射的微型光学器件之间极其精确的对准。

美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的研究人员及其同事现已开发出光学显微镜的标准和校准，使量子点与光子组件的中心对齐，误差在 10 至 20 Nano（约 1 Nano）之间。 -一张纸厚度的千分之一）。 这种对准对于利用量子点发射的辐射来存储和传输量子信息的芯片级设备至关重要。

NIST 研究人员首次在光学显微镜的整个图像上达到了这种精度水平，使他们能够纠正许多单独量子点的位置。 研究人员开发的模型预测，如果使用新标准校准显微镜，那么高性能设备的数量可能会增加一百倍。

这种新能力可以使从研究实验室慢慢出现的量子信息技术得到更可靠的研究并有效地开发成商业产品。

在开发他们的方法时，克雷格·科普兰 (Craig Copeland)、塞缪尔·斯塔维斯 (Samuel Stavis) 及其合作者，包括来自联合量子研究所 (JQI)（NIST 与马里兰大学之间的研究合作伙伴关系）的同事，创建了可追溯到国际单位制的标准和校准(SI) 用于引导量子点排列的光学显微镜。

科普兰说：“寻找量子点并在其上放置光子元件这一看似简单的想法，结果却是一个棘手的测量问题。”

在典型的测量中，当研究人员使用光学显微镜寻找单个量子点的位置时，误差开始上涨，这些量子点位于半导体材料表面的随机位置。 如果研究人员忽略半导体材料在量子点工作的超冷温度下的收缩，误差就会变得更大。 更复杂的是，这些测量误差因研究人员用来制定校准标准的制造过程中的不准确而变得更加复杂，这也影响了光子元件的放置。

研究人员于 3 月 18 日在 Optica Quantum 在线发表的一篇文章中描述了 NIST 方法，该方法可以识别并纠正此类以前被忽视的错误。

NIST 团队创建了两种类型的可追溯标准来校准光学显微镜——首先在室温下分析制造过程，然后在低温下测量量子点的位置。 在他们之前的工作基础上，室温标准由金属薄膜中间隔一定距离的Nano级孔阵列组成。

然后，研究人员用Atom力显微镜测量了孔的实际位置，确保这些位置可以追溯到 SI。 通过将光学显微镜观察到的孔的表观位置与实际位置进行比较，研究人员评估了光学显微镜的放大率校准和图像失真造成的误差。 然后，校准后的光学显微镜可用于快速测量研究人员制作的其他标准，从而对过程的准确性和可变性进行统计分析。

“良好的统计数据对于追溯链中的每个环节都至关重要，”该文章的合著者、NIST 研究员 Adam Pintar 说。

研究小组将他们的方法扩展到低温，校准了用于量子点成像的超冷光学显微镜。 为了进行这种校准，该团队创建了一个新的显微镜标准——在硅晶片上制造的柱阵列。 科学家们使用硅进行研究，因为这种材料在低温下的收缩率已经被精确测量。

研究人员在校准低温光学显微镜的放大倍率时发现了几个缺陷，这些缺陷往往比在室温下操作的显微镜具有更严重的图像失真。 这些光学缺陷将直线图像弯曲成粗糙的曲线，校准有效地拉直了曲线。 如果不加以校正，图像失真会在确定量子点的位置以及在目标、波导或其他光控制装置内对准量子点时造成很大的误差。

文章合著者、NIST 研究员马塞洛·达万科 (Marcelo Davanco) 表示：“这些错误可能导致研究人员无法制造出性能符合预期的设备。”

研究人员开发了一个详细的模型，用于将量子点与芯片级光子元件集成时的测量和制造误差。 他们研究了这些错误如何限制量子点器件按设计运行的能力，发现了一百倍改进的潜力。

斯塔维斯指出：“如果一百台设备中的一台能够用于他们的第一次实验，研究人员可能会很高兴，但制造商可能需要一百台设备中的九十九台才能工作。” “我们的工作是实验室到工厂转型过程中的一次飞跃。”

除了量子点设备之外，NIST 正在开发的可追溯标准和校准可以提高光学显微镜其他高要求应用的准确性和可靠性，例如脑细胞成像和神经连接映射。 为了这些努力，研究人员还寻求确定所研究物体在整个显微镜图像中的准确位置。 此外，科学家可能需要协调不同温度下不同仪器的位置数据，就像量子点设备一样。