靶心 在光子晶元內精確居中量子點

可追蹤顯微鏡可以提高量子信息技術、生物成像等的可靠性。

捕獲數百萬個量子點發出的明亮光線的設備，包括晶元級激光器和光學放大器，已經從實驗室實驗過渡到商業產品。 但新型量子點設備上市的速度較慢，因為它們需要單個點與提取和引導發射輻射的微型光學器件之間極其精確的對準。

美國國家標準與技術研究所 (NIST) 的研究人員及其同事現已開發出光學顯微鏡的標準和校準，使量子點與光子組件的中心對齊，誤差在 10 至 20 Nano（約 1 Nano）之間。 -一張紙厚度的千分之一）。 這種對準對於利用量子點發射的輻射來存儲和傳輸量子信息的晶元級設備至關重要。

NIST 研究人員首次在光學顯微鏡的整個圖像上達到了這種精度水平，使他們能夠糾正許多單獨量子點的位置。 研究人員開發的模型預測，如果使用新標準校準顯微鏡，那麼高性能設備的數量可能會增加一百倍。

這種新能力可以使從研究實驗室慢慢出現的量子信息技術得到更可靠的研究並有效地開發成商業產品。

在開發他們的方法時，克雷格·科普蘭 (Craig Copeland)、塞繆爾·斯塔維斯 (Samuel Stavis) 及其合作者，包括來自聯合量子研究所 (JQI)（NIST 與馬里蘭大學之間的研究合作夥伴關係）的同事，創建了可追溯到國際單位制的標準和校準(SI) 用於引導量子點排列的光學顯微鏡。

科普蘭說：「尋找量子點並在其上放置光子元件這一看似簡單的想法，結果卻是一個棘手的測量問題。」

在典型的測量中，當研究人員使用光學顯微鏡尋找單個量子點的位置時，誤差開始上漲，這些量子點位於半導體材料表面的隨機位置。 如果研究人員忽略半導體材料在量子點工作的超冷溫度下的收縮，誤差就會變得更大。 更複雜的是，這些測量誤差因研究人員用來制定校準標準的製造過程中的不準確而變得更加複雜，這也影響了光子元件的放置。

研究人員於 3 月 18 日在 Optica Quantum 在線發表的一篇文章中描述了 NIST 方法，該方法可以識別並糾正此類以前被忽視的錯誤。

NIST 團隊創建了兩種類型的可追溯標準來校準光學顯微鏡——首先在室溫下分析製造過程，然後在低溫下測量量子點的位置。 在他們之前的工作基礎上，室溫標準由金屬薄膜中間隔一定距離的Nano級孔陣列組成。

然後，研究人員用Atom力顯微鏡測量了孔的實際位置，確保這些位置可以追溯到 SI。 通過將光學顯微鏡觀察到的孔的表觀位置與實際位置進行比較，研究人員評估了光學顯微鏡的放大率校準和圖像失真造成的誤差。 然後，校準後的光學顯微鏡可用於快速測量研究人員製作的其他標準，從而對過程的準確性和可變性進行統計分析。

「良好的統計數據對於追溯鏈中的每個環節都至關重要，」該文章的合著者、NIST 研究員 Adam Pintar 說。

研究小組將他們的方法擴展到低溫，校準了用於量子點成像的超冷光學顯微鏡。 為了進行這種校準，該團隊創建了一個新的顯微鏡標準——在硅晶片上製造的柱陣列。 科學家們使用硅進行研究，因為這種材料在低溫下的收縮率已經被精確測量。

研究人員在校準低溫光學顯微鏡的放大倍率時發現了幾個缺陷，這些缺陷往往比在室溫下操作的顯微鏡具有更嚴重的圖像失真。 這些光學缺陷將直線圖像彎曲成粗糙的曲線，校準有效地拉直了曲線。 如果不加以校正，圖像失真會在確定量子點的位置以及在目標、波導或其他光控制裝置內對準量子點時造成很大的誤差。

文章合著者、NIST 研究員馬塞洛·達萬科 (Marcelo Davanco) 表示：「這些錯誤可能導致研究人員無法製造出性能符合預期的設備。」

研究人員開發了一個詳細的模型，用於將量子點與晶元級光子元件集成時的測量和製造誤差。 他們研究了這些錯誤如何限制量子點器件按設計運行的能力，發現了一百倍改進的潛力。

斯塔維斯指出：「如果一百台設備中的一台能夠用於他們的第一次實驗，研究人員可能會很高興，但製造商可能需要一百台設備中的九十九台才能工作。」 「我們的工作是實驗室到工廠轉型過程中的一次飛躍。」

除了量子點設備之外，NIST 正在開發的可追溯標準和校準可以提高光學顯微鏡其他高要求應用的準確性和可靠性，例如腦細胞成像和神經連接映射。 為了這些努力，研究人員還尋求確定所研究物體在整個顯微鏡圖像中的準確位置。 此外，科學家可能需要協調不同溫度下不同儀器的位置數據，就像量子點設備一樣。