Недавно группа квантовых вычислений на квантовых точках под руководством Ху Чэнъёна из Пекинской академии квантовых информационных наук (далее именуемой «Академия») реализовала новый квантовый источник света-лазерный-источник одиночных-фотонов с преобразованием-с использованием нелинейного эффекта насыщения и эффекта переключения одиночных-фотонов одиночных квантовых точек. Этот источник демонстрирует сверхдлительное время когерентности (258±2 микросекунды) и надежную однородность фотонов, а характеристики одиночных-фотонов достигают оптимального уровня обычных источников одиночных-фотонов на основе спонтанного излучения-. Он перспективен в качестве стандартного источника квантового света для квантовых интернет-приложений. 18 ноября 2025 года результаты исследования были опубликованы в журнале Optica под заголовком «Преобразование лазерного света в одиночные фотоны со сверхдлительным временем когерентности».
Фотоны служат идеальными носителями для передачи квантовой информации и важными средствами обработки квантовой информации. Источники одиночных-фотонов образуют основные компоненты квантовых технологий, таких как оптические квантовые вычисления, распределенные квантовые вычисления, квантовая связь и квантовые прецизионные измерения. В настоящее время подготовка источника одиночных-фотонов в основном опирается на два технических подхода: один — вероятностные методы, основанные на спонтанном параметрическом преобразовании с понижением-(SPDC) или спонтанном четырех-волновом смешении (SFWM); другие представляют собой детерминированные методы, основанные на спонтанном излучении одно-квантовых систем, таких как холодные атомы, ионные ловушки, квантовые точки или центры окраски. В последние годы источники одиночных-фотонов с квантовыми точками эмиссионного типа добились значительного прогресса в создании идеальных источников одиночных-фотонов, демонстрирующих почти 100% чистоту одиночных-фотонов и идентичность фотонов. Однако источники одиночных-фотонов, основанные на излучении, по-прежнему сталкиваются с ограничениями: их время когерентности первого-первого порядка ограничено удвоенным временем жизни экситонов (всего от десятков до сотен пикосекунд), а идентичность фотонов подвержена ухудшению из-за зарядового и спинового шума. Будущее развитие квантового Интернета будет опираться на когерентную квантовую связь, основанную на двух-фотонной или одиночной-интерференции фотонов, что требует источников одиночных-фотонов с превосходной когерентностью и надежной идентичностью фотонов. Источники одиночных-фотонов, основанные на излучении, в настоящее время с трудом могут полностью удовлетворить эти требования. Хотя лазеры по своей природе обладают выдающейся когерентностью, их нельзя напрямую ослабить до однофотонных состояний с помощью линейных оптических элементов.
Чтобы решить эти проблемы, исследовательская группа в сотрудничестве с Институтом полупроводников Китайской академии наук предложила и реализовала третий метод подготовки источника одиночных-фотонов: источник одиночных-фотонов на основе лазерного преобразования-(LCSPS). В отличие от традиционных односторонних-оптических микрорезонаторных структур, обычно используемых в источниках одиночных-фотонов эмиссионного-типа, команда разработала симметричный двухсторонний-оптический микрорезонатор [см. рисунок 1(a)]. Эта структура эффективно подавляет рассеяние лазера внутри резонатора, не прибегая к использованию фильтров ортогональной поляризации. После отражения внутри системы связи с квантовыми точками-микрорезонатором лазер напрямую преобразуется в одиночный фотон [см. рисунок 1(a)], демонстрируя следующие выдающиеся свойства: сверх-длительное время когерентности [258±2 мкс, см. рис. 2(b)], надежную неразличимость фотонов [94,3±0,2%, см. рис. 2(c)] и идеальную чистота одного -фотона [g(2)(0)=0.030±0,002, см. рис. 1(e)]. Все данные представляют собой необработанные результаты измерений.
Принцип работы лазерного -преобразованного источника одиночных-фотонов можно качественно объяснить на основе насыщенной нелинейности и эффектов переключения одиночных-фотонов одиночных квантовых точек: когда одиночный фотон взаимодействует с квантовой точкой и отражается от нее, последующие падающие фотоны передаются в течение времени жизни экситона из-за перехода квантовой точки в насыщенное состояние. Этот процесс приводит к тому, что отраженный свет проявляет анти-когерентное поведение, проявляя одно-фотонные характеристики, в то время как проходящий свет демонстрирует эффекты когерентности, обладая много-фотонными свойствами. Основополагающий глубокий физический механизм основан на квантовой интерференции между когерентными состояниями (т. е. лазерными) и многофотонными состояниями. Этот интерференционный процесс эффективно подавляет вероятность появления многофотонных компонентов в отраженном световом поле, преобразуя отраженное лазерное световое поле в одиночные фотоны.
Унаследовав когерентность первого-порядка и надежную фотонную идентичность лазеров, лазерные-преобразованные одиночные-источники фотонов могут широко применяться в различных интерференционных-протоколах квантовой связи, одиночных-фотонных фазированных-решетках квантовых радаров и источниках-одиночных-фотонов с синхронизацией мод. Они обещают стать стандартным источником квантового света для будущего квантового Интернета.
Рисунок 1
(а) Схема конструкции и принципа работы лазерного-преобразованного источника одиночных-фотонов; (б) Изображение устройства, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа; (c) Спектры когерентного отражения при различной интенсивности возбуждения, демонстрирующие коэффициент переключения одиночных-фотонов 50:1; (г) нулевое значение g(2)(0) корреляционной функции второго- порядка отраженного светового поля как функция лазерной расстройки; (д) Корреляционная функция второго- порядка g(2)(t) отраженного светового поля при малых интенсивностях возбуждения.
Рисунок 2 (a) Когерентность первого-порядка источника одиночных-фотонов, характеризуемая интерферометрией Маха-Цендера; (b) Демонстрация того, что лазерный источник -конверсионного-одиночного-фотона имеет то же время когерентности, что и возбуждающий лазер, что достигается посредством гетеродинной интерферометрии с задержкой и измерений совпадений с-временным разрешением; (c) Эволюция видимости двух-интерференции фотонов с разницей во времени излучения, доказывающая надежную однородность фотонов источника.
Первыми авторами этой статьи являются Ван Маннан и Ли Яньфэн, аспиранты Института квантовой информации, а также автор-корреспондент Ху Чэнъюн, научный сотрудник того же института. В число со-авторов входят Цзэн Чуаньюй, аспирант Института квантовой информации; Хуан Гоци, аспирант Пекинского университета почты и телекоммуникаций; инженеры Лю Ли, Ван Вэньян и Цзи Вэйцзе из Института квантовой информации; а также постдокторант Лю Ханьцин, исследователи Ни Хайцяо и Ню Чжичуань из Института полупроводников Китайской академии наук. Эта работа была поддержана Пекинским фондом естественных наук и Национальной программой научных исследований и разработок Китая.
