捕捉數百萬量子點發出的亮光的設備，包括晶片級雷射和光放大器，已經從實驗室實驗過渡到商業產品。但新型量子點設備的上市速度較慢，因為它們需要在單一量子點與提取和引導發射輻射的微型光學元件之間進行極其精確的對準。它可追蹤顯微鏡可以提高量子資訊技術、生物成像等的可靠性。

量子點與光子元件的精確對準對於提取量子點發出的輻射至關重要。在這幅插圖中，位於圓形光柵光學”熱點”中心的量子點（插圖中的中心點）比未對準的量子點（插圖中的偏心點）發出的光更多。資料來源：S. Kelley/NIST

量子點排列的突破

美國國家標準與技術研究院（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方法，可將量子點與光子元件的中心對準，誤差不超過10 至20 奈米（約為一張紙厚度的千分之一）。這種對準對於利用量子點發出的輻射來儲存和傳輸量子資訊的晶片級設備至關重要。

提高量子設備性能

NIST 的研究人員首次在光學顯微鏡的整個影像上實現了這種精確度，從而能夠校正許多單一量子點的位置。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之多。

這種新的能力可以使研究實驗室正在緩慢出現的量子資訊技術得到更可靠的研究，並更有效地開發成商業產品。

校準挑戰與解決方案

在發展方法的過程中，克雷格-科普蘭、塞繆爾-斯塔維斯和他們的合作者，包括來自聯合量子研究所（JQI）（NIST 和馬裡蘭大學的研究合作機構）的同事，為用於指導量子點對準的光學顯微鏡創建了可追溯到國際單位制（SI）的標準和校準。

科普蘭說：”尋找一個量子點並在其上放置一個光子元件，這個看似簡單的想法卻變成了一個棘手的測量問題。”

解決微觀測量誤差問題

在典型的測量過程中，當研究人員使用光學顯微鏡尋找單一量子點的位置時，誤差就會開始累積，這些量子點位於半導體材料表面的隨機位置。如果研究人員忽略量子點在超低溫下工作時半導體材料的收縮，誤差就會越來越大。使問題更加複雜的是，研究人員在製作校準標準時所使用的製造流程存在誤差，這也會影響光子元件的位置，從而加劇這些測量誤差。

NIST 的方法創新

研究人員在3 月18 日在線發表於《量子光學》（Optica Quantum）上的一篇文章中介紹了NIST 方法，可以識別並糾正先前被忽視的此類錯誤。

插圖展示了光學顯微鏡的可追溯校準如何糾正儀器缺陷，否則會導致量子點與光子元件不對準。資料來源：S. Kelley/NIST

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。在先前工作的基礎上，室溫標準由金屬膜上按一定間距排列的奈米級孔陣列組成。

然後，研究人員用原子力顯微鏡測量了孔的實際位置，確保這些位置可追溯到SI。透過比較光學顯微鏡觀察到的孔的表面位置和實際位置，研究人員評估了光學顯微鏡的放大率校準和影像失真的誤差。校準後的光學顯微鏡可用於快速測量研究人員製造的其他標準，從而對該過程的準確性和可變性進行統計分析。

文章的合著者之一、NIST 研究員Adam Pintar 說：”良好的統計數據對溯源鏈中的每個環節都至關重要。”

研究小組將其方法擴展到低溫領域，校準了用於量子點成像的超冷光學顯微鏡。為了進行校準，研究團隊創建了一種新的顯微鏡標準–在矽晶片上製作的柱陣列。科學家之所以使用矽，是因為這種材料在低溫下的收縮率已經被精確測量了。

克服低溫下的光學失真

研究人員在校準低溫光學顯微鏡放大倍率時發現了幾個隱患，低溫光學顯微鏡的影像失真往往比在室溫下工作的顯微鏡更嚴重。這些光學缺陷會使直線影像彎曲成虯曲的曲線，而校準可以有效地將其拉直。如果不進行校正，影像失真會導致在確定量子點的位置以及在目標、波導或其他光控設備內對準量子點時出現較大誤差。

文章的合著者、NIST 研究員馬塞洛-達萬科（Marcelo Davanco）說：”這些錯誤很可能導致研究人員無法製造出性能符合預期的設備。”

量子點元件的改良與未來應用

研究人員就量子點與晶片級光子元件整合過程中的測量和製造誤差建立了一個詳細的模型。他們研究了這些誤差是如何限制量子點元件發揮設計性能的，發現其性能有可能提高一百倍。

Stavis指出：「研究人員可能會很高興，因為在他們的第一次實驗中，一百個設備中有一個能正常工作，但製造商可能需要一百個設備中有九十九個能正常工作。我們的工作是實驗室向製造廠過渡過程中的一次飛躍。”

除了量子點設備之外，NIST正在開發的可追溯標準和校準技術還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繪圖。在這些工作中，研究人員還需要確定整個顯微鏡影像中被研究對象的準確位置。此外，科學家可能還需要協調不同儀器在不同溫度下的位置數據，量子點設備就是如此。

編譯自: ScitechDaily