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量子点与光子组件的精确对齐针对提取量子点发出的辐射至关要紧。这里图中，以圆形光栅的光学“热点”为中心的量子点（插图中的中心点）比未对齐的点（插图中的偏心点）发出更加多的光。照片源自：S. Kelley/NIST
从数百万个量子点中捕捉明亮光线的设备，包含芯片级激光器和光放大器，已然完成为了从实验室实验到商业制品的过渡。然则，新型量子点器件进入市场的速度较慢，由于它们必须在单个点和提取和引导发射辐射的微型光学器件之间非常精确地对齐。
美国国家标准与技术科研院（NIST）的科研人员及其同事此刻已然研发了光学显微镜的标准和校准，准许量子点与光子元件的中心对齐，误差在10到20纳米（大约是一张纸厚度的千分之一）以内。
这种对准针对利用量子点发出的辐射来存储和传输量子信息的芯片级设备至关要紧。该科研发布在Optica Quantum上。
NIST科研人员首次在光学显微镜的全部图像上达到了这种精度水平，使她们能够校正许多单个量子点的位置。科研人员研发的一个模型预测，倘若运用新标准校准显微镜，那样高性能设备的数量可能会增多一百倍。
这种新能力能够使从科研实验室慢慢显现的量子信息技术得到更靠谱的科研，并有效地研发成商场制品。
在研发她们的办法时，克雷格·科普兰（Craig Copeland），塞缪尔·斯塔维斯（Samuel Stavis）及其合作者，包含来自NIST和马里兰大学之间的科研合作伙伴关系联合量子科研所（JQI）的同事，创建了可追溯到国际单位制（SI）的标准和校准，用于指点量子点的对齐。
“找到一个量子点并在其上安置一个光子元件这个看似简单的想法被证明是一个棘手的测绘问题，”科普兰说。
在典型的测绘中，当科研人员运用光学显微镜寻找单个量子点的位置时，误差起始累积，这些量子点位置于半导体材料表面的随机位置。倘若科研人员忽略半导体材料在量子点工作的超冷温度下的收缩，误差就会变大。
更繁杂的是，这些测绘误差因科研人员用来制作校准标准的制造过程中的不准确而变得更加繁杂，这亦影响了光子元件的安置。
科研人员在3月18日发布在Optica Quantum上的一篇文案中描述了NIST办法，该办法能够识别并纠正以前被忽略的此类错误。
图示表示了光学显微镜的可追溯校准怎样纠正仪器缺陷，否则会引起量子点与光子元件错位。照片源自：S. Kelley/NIST
NIST团队创建了两种类型的可追溯标准来校准光学显微镜 - 首要在室温下分析制造过程，而后在低温下测绘量子点的位置。在她们之前的工作基本上，室温标准由一系列纳米级孔构成，这些孔在金属薄膜中间隔必定距离。
而后，科研人员用原子力显微镜测绘了孔的实质位置，保证这些位置可追溯到SI。经过将光学显微镜观察到的孔的表观位置与实质位置进行比较，科研人员评定了光学显微镜的放大校准和图像畸变的误差。而后，校准后的光学显微镜可用于快速测绘科研人员制造的其他标准品，从而能够对过程的准确性和可变性进行统计分析。
“良好的统计数据针对可追溯性链中的每一个环节都至关要紧，”NIST科研员Adam Pintar说，他是该文案的合著者。
科研小组将她们的办法扩展到低温，校准了用于对量子点影像的超冷光学显微镜。为了进行这种校准，该团队创建了一种新的显微镜标准——在硅晶圆上制造的一系列支柱。科学家们之因此运用硅，是由于已然精确测绘了材料在低温下的收缩率。
科研人员在校准低温光学显微镜的放大倍率时发掘了几个陷阱，这些显微镜的图像失真常常比在室温下操作的显微镜更严重。这些光学缺陷将直线图像弯曲成粗糙的曲线，校准能够有效地拉直这些曲线。倘若不校正，图像失真会引起在确定量子点的位置以及在目的、波导或其他光掌控设备中对齐量子点时显现很强误差。
“这些错误可能阻止了科研人员制造出性能符合预期的设备，”NIST科研员Marcelo Davanco说，他是该文案的合著者。
科研人员研发了一个仔细的模型，用于将量子点与芯片级光子组件集成的测绘和制造误差。她们科研了这些错误怎样限制量子点器件按设计执行的能力，发掘了一百倍改进的潜能。
“倘若一百个设备中有一个适用于她们的第1次实验，科研人员可能会很高兴，但制造商可能必须一百个设备中的九十九个才可工作，”斯塔维斯指出。“咱们的工作是这种从实验室到晶圆厂过渡的飞跃。”
除了量子点器件之外，NIST正在研发的可追溯标准和校准能够加强光学显微镜其他需求苛刻的应用的准确性和靠谱性，例如脑细胞影像和绘制神经连接图谱。
为了完成这些工作，科研人员还试图在全部显微镜图像上确定所科研物体的准确位置。另外，专家可能必须协调区别仪器在区别温度下的位置数据，就像量子点设备同样。
更加多信息： Craig R. Copeland等人，可追溯的定位能够以高产率实现量子发射器和光子结构的精确集成，Optica Quantum（2024）。DOI： 10.1364/OPTICAQ.502464
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发表于 2024-6-30 06:02:05
