量子点与光子组分的精确对齐对于提取量子点发出的辐射至关重要。在这个插图中，一个量子点在圆形光栅的光学“热点”中心(插图中的中心点)比一个不对齐的点(插图中的偏离中心点)发出更多的光。来源:S. Kelley/NIST

　　可追溯显微镜可以提高量子信息技术、生物成像等的可靠性。

　　从数以百万计的量子点中捕获明亮光线的设备，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。但新型的量子点设备进入市场的速度较慢，因为它们需要在单个量子点和提取并引导发射辐射的微型光学器件之间进行非常精确的对齐。

　　量子点对齐的突破

　　美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员和他们的同事现在已经开发出光学显微镜的标准和校准方法，使量子点与光子组件的中心对齐，误差在10到20纳米(大约是一张纸厚度的千分之一)。这种排列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。

　　增强量子器件性能

　　NIST的研究人员首次在光学显微镜的整个图像上实现了这种精度水平，使他们能够纠正许多单个量子点的位置。研究人员开发的一个模型预测，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100倍之多。

　　这种新能力可以使量子信息技术从研究实验室中慢慢出现，得到更可靠的研究，并有效地开发成商业产品。

　　校准挑战与解决方案

　　在开发他们的方法时，Craig Copeland, Samuel Stavis和他们的合作者，包括来自联合量子研究所(JQI)的同事，NIST和马里兰大学之间的研究伙伴关系，为用于指导量子点排列的光学显微镜创建了可追溯到国际单位制(SI)的标准和校准。

　　“寻找一个量子点并在其上放置光子组件这个看似简单的想法，实际上是一个棘手的测量问题，”科普兰说。

　　解决微观测量误差

　　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，误差开始累积，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，这些测量误差与研究人员用来制定校准标准的制造过程中的不准确性相结合，这也影响了光子元件的放置。

　　NIST的方法论创新

　　研究人员在3月18日发表在《光学量子》网络版上的一篇文章中描述了NIST的方法，该方法识别并纠正了以前被忽视的这些错误。

　　说明了光学显微镜的可追溯校准如何纠正仪器缺陷，否则会导致量子点与光子元件的不对准。来源:S. Kelley/NIST

　　NIST团队创建了两种可追溯的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。在他们之前工作的基础上，室温标准由金属薄膜中间隔一定距离的纳米级孔阵列组成。

　　然后，研究人员用原子力显微镜测量了这些孔的实际位置，确保这些位置可以追溯到SI。通过比较光学显微镜观察到的孔的视位置与实际位置，研究人员评估了光学显微镜放大校准和图像畸变的误差。经过校准的光学显微镜可以用来快速测量研究人员制造的其他标准，从而对该过程的准确性和可变性进行统计分析。

　　“良好的统计数据对可追溯链中的每个环节都至关重要，”NIST研究员亚当·平塔尔(Adam Pintar)说，他是这篇文章的合著者。

　　研究小组将他们的方法扩展到低温，校准了一个超冷光学显微镜来成像量子点。为了进行校准，研究小组创造了一种新的显微镜标准——在硅片上制作的一系列柱子。科学家们之所以选择硅，是因为这种材料在低温下的收缩率已经被精确测量过。

　　克服低温下的光学畸变

　　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陷阱，低温光学显微镜往往比室温显微镜有更严重的图像畸变。这些光学缺陷将直线图像弯曲成粗糙的曲线，校准有效地将其拉直。如果不加以纠正，图像失真会导致在确定量子点的位置以及在目标、波导或其他光控设备内对齐量子点时产生很大的误差。

　　“这些错误很可能阻碍了研究人员制造出预期性能的设备，”NIST研究员马塞洛·达文科(Marcelo Davanco)说，他是这篇文章的合著者。

　　量子点器件的改进和未来应用

　　研究人员开发了一个详细的模型，描述了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是如何限制量子点设备按设计运行的能力的，发现了提高一百倍的潜力。

　　斯塔维斯指出:“如果100台设备中有一台在第一次实验中成功，研究人员可能会很高兴，但制造商可能需要100台设备中有99台才能成功。”“我们的工作是从实验室到工厂过渡的一个飞跃。”

　　除了量子点设备之外，NIST正在开发的可追溯标准和校准可能会提高光学显微镜在其他要求苛刻的应用中的准确性和可靠性，例如成像脑细胞和绘制神经连接。为了这些努力，研究人员还试图在整个显微镜图像中确定被研究物体的准确位置。此外，科学家可能需要在不同温度下协调来自不同仪器的位置数据，就像量子点设备一样。

　　参考文献:Daron A. west, Ronald G. Dixson, B. Robert Ilic, Marcelo I. Davanco, Samuel M. Stavis, Craig R. Copeland, Ashish Chanana, Kartik Srinivasan和Adam L. Pintar，《光学量子》，2024年4月24日。DOI: DOI: 10.1364 / OPTICAQ.502464