定制光子。激光脉冲（图中未显示）在薄半导体中产生波状表面等离激元极化子（红色和蓝色圆圈）。当此波向外传播时，它会穿过一组天线，这些天线将能量重新导向自由空间成为光。通过选择天线的尺寸和方向，可以产生具有任意所需方向或偏振的光子（图中展示了线偏振和圆偏振）。
新兴的量子计算和密码技术需要能够发射特性精确可控光子的小型组件。研究人员一直在开发此类组件，如今一个团队展示了一种能够同时控制方向、偏振和强度的技术。与以往实验类似，该技术利用半导体表面的微观结构将波状表面激发转换为光波。但新演示使用的结构形状可对出射光进行更精确控制。该团队期望这项新技术在构建微型固态量子技术方面得到广泛应用。
丹麦南方大学的丁飞表示，固态小型化是使量子技术实用、可扩展且易于制造的少数现实途径之一。但目前优秀的紧凑型光子源并不多。“该技术确实需要一个紧凑且灵活的固态光子源，让我们能完全控制光的发射方式——其方向、偏振和空间分布，”丁飞说，“这对于构建可扩展的量子和纳米光子技术至关重要，在这些技术中，单光子被用作信息的基本载体。”
为实现这一能力，丁飞及其同事试图拓展先前利用所谓“超表面”（沉积在半导体芯片上的一层图案化材料）探索光子产生的研究。研究人员在该表面放置一个称为量子发射器的纳米级光子发射物体，并用激光脉冲照射它。作为响应，发射器产生表面等离激元极化子——涉及电磁波和电荷运动的激发。当极化子穿过散射物体的超表面图案时，能量泄漏产生在自由空间传播的光子。
利用这种方法，研究人员尚未能同时控制光子的方向、偏振和强度，或产生指向不同方向且具有不同偏振的多个光子束。丁飞及其同事现已展示如何克服这些挑战。
这两个天线阵列产生沿特定方向发射的线偏振（左图）和圆偏振（右图）光子。偏振由天线的精确排列决定，而非宏观阵列几何形状（圆盘与圆环），选择不同几何形状是为使光子源性能更稳定。每个阵列宽约10微米。
他们将装置构建在30纳米厚的二氧化硅晶片上，该晶片置于150纳米厚的银镜基底上。研究人员使用含有一些氮原子与碳空位配对的纳米级金刚石作为量子发射器。激光脉冲产生的极化子波从金刚石扩散开来，穿过团队铺设的许多35纳米厚、间距200纳米银条的区域。ȿ..
重要的是，这些银条是矩形，其对称性低于先前实验中使用的元件。这种形状的各向异性使研究人员能够独立控制发射光子的两个偏振分量（左旋和右旋圆偏振）的相位。这种独立控制使他们能够精确选择出射光子的特性，包括光波的空间分布。丁飞及其同事展示了产生沿选定方向发射的线偏振和圆偏振光，以及同时向多个方向发射。“这里的新之处在于，我们现在可以从一个通用设计框架中产生具有任意方向、偏振和强度比的单束或多束光，”丁飞说。
“这项工作在光的产生和管理方面有许多潜在应用，”纽约城市大学的光子学专家安德里亚·阿卢说，“它基于先前的工作，但现在他们以单光子量子发射器的形式集成了光源，灵活地塑造光发射。”
在未来工作中，丁飞及其同事希望将这个光子发射平台集成到一个由电驱动量子发射器的系统中——而非依赖激光激发——这样更容易集成到商业微芯片电路中。