華中科技大學(xué)物理學(xué)院陳學(xué)文教授團(tuán)隊(duì)在芯片集成光量子領(lǐng)域取得新進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，物理學(xué)院陳學(xué)文教授團(tuán)隊(duì)在芯片集成量子光源方面取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了全同單光子源的可控片上集成，實(shí)驗(yàn)展示了片上獨(dú)立單光子源間的全同光子量子干涉，干涉可見度達(dá)0.97，并觀察到100微秒量級(jí)的長(zhǎng)時(shí)間量子拍現(xiàn)象。2025年11月5日，該成果以“On-chip Quantum Interference of Indistinguishable Single Photons from Integrated Independent Molecules”為題在線發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》。
 

　　光量子技術(shù)是實(shí)現(xiàn)量子通信、量子模擬和通用量子計(jì)算的重要平臺(tái)。全同單光子是光量子技術(shù)的重要物理資源。將多個(gè)獨(dú)立且全同的單光子通道集成到片上，是實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展光量子信息處理的關(guān)鍵。然而在實(shí)驗(yàn)層面，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)面臨三大核心挑戰(zhàn)：其一，獨(dú)立單光子源所處的局域納米環(huán)境不相同，導(dǎo)致躍遷頻率存在差異，即非均勻展開；其二，局域電荷環(huán)境的波動(dòng)會(huì)引發(fā)發(fā)射頻率的隨機(jī)抖動(dòng)與漂移，微納加工過程更會(huì)加劇材料表面附近的電荷噪聲，從而惡化光譜穩(wěn)定性；其三，單量子體系在集成過程中偶極取向隨機(jī)，難以實(shí)現(xiàn)可控耦合。
 

　　針對(duì)上述關(guān)鍵瓶頸，陳學(xué)文、唐建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江大學(xué)時(shí)堯成教授團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了一種“分子摻雜有機(jī)微納晶片 + 氮化硅光子線路 + 片上金屬微電極”的混合集成方案(圖1)。在該架構(gòu)中，摻雜DBT(7,8:15,16-dibenzoterrylene)分子的蒽微納晶片以相對(duì)可控的位置和偶極取向集成至氮化硅光子芯片之上；同時(shí)，通過片上微電極施加外加電場(chǎng)，利用斯塔克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)分子躍遷頻率的精密調(diào)諧，最終成功實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性、可控的獨(dú)立全同單光子源片上集成，有效突破了上述三大實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。
 

　　圖1. 混合集成光量子芯片。a. 光量子芯片實(shí)物照片；b. 光量子芯片上集成24個(gè)雙光子量子干涉器件(光學(xué)顯微照片)；c. 一個(gè)雙光子量子干涉器件由分子摻雜的單晶微納晶片、氮化硅光子元件(波導(dǎo)W1,2,3,4、2×2多模干涉儀和光柵耦合器和金屬微電極的混合集成；d. 波導(dǎo)W1和W2(兩側(cè)有金電極)、多模干涉儀以及其中一個(gè)光柵耦合器的SEM圖像；e.DBT分子結(jié)構(gòu)及其能級(jí)示意圖；f. 片上雙光子量子干涉實(shí)驗(yàn)示意圖。
 

　　合作團(tuán)隊(duì)通過上述有機(jī)-無機(jī)混合集成方案，一方面保障了分子所處的純凈固態(tài)環(huán)境，有效抑制了分子頻率的抖動(dòng)漂移；另一方面借助斯塔克效應(yīng)，對(duì)兩個(gè)獨(dú)立波導(dǎo)上的單分子單光子源分別實(shí)施精確調(diào)控，成功消除了不同分子間的躍遷頻率差異；同時(shí)利用片上單模光路極高的模式匹配度，確保了光子干涉效率。最終成功實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立單分子單光子源間的全同雙光子量子干涉，干涉可見度高達(dá)0.97，在已報(bào)道的獨(dú)立單量子體系單光子源全同光子量子干涉實(shí)驗(yàn)中，創(chuàng)下了目前最高的干涉可見度紀(jì)錄(圖2)。
 

　　圖2.高可見度的片上全同光子量子干涉。a.片上同頻分子間雙光子量子干涉實(shí)驗(yàn)示意圖；b. 借助斯塔克效應(yīng)將兩個(gè)分子的躍遷頻率精細(xì)調(diào)諧一致；c.兩個(gè)分子的共振熒光光譜重疊；d-f. 當(dāng)兩個(gè)分子頻率一致時(shí)，不用激發(fā)水平下(S= 2, 4, 9)的二階互相關(guān)函數(shù)g(2)HOM(τ)；g.當(dāng)M1和M2具有3.8 GHz大頻差時(shí)的二階互相關(guān)函數(shù)g(2)HOM, d(τ)；h.干涉可見度V(τ)與理論可見度曲線的比較。
 

　　該團(tuán)隊(duì)還通過主動(dòng)引入并精準(zhǔn)調(diào)控獨(dú)立單光子源間的躍遷頻率差，使其穩(wěn)定在200 MHz，觀測(cè)到雙光子量子干涉的二階互相關(guān)函數(shù)中呈現(xiàn)周期為5 ns的量子拍。該量子拍的持續(xù)時(shí)間可達(dá)100μs量級(jí)，是分子激發(fā)態(tài)壽命的2萬倍以上(圖3)。這一現(xiàn)象揭示了發(fā)射光子的超長(zhǎng)相干性(波動(dòng)性)與高單光子純度(粒子性)，為光量子技術(shù)應(yīng)用拓展了新方向。
 

　　圖3.片上量子干涉拍。a.片上失諧分子間雙光子量子干涉實(shí)驗(yàn)示意圖；b. 當(dāng)分子M1和M2被兩束激光同時(shí)共振激發(fā)時(shí)，發(fā)射光譜測(cè)量顯示兩個(gè)分子頻率相差200MHz；c.弱激發(fā)下(S= 0.2)的二階互相關(guān)函數(shù)；d. 100微秒長(zhǎng)時(shí)延附近的二階互相關(guān)函數(shù)；e-h.不同激發(fā)水平下(S= 0.5、1、3和9)的二階互相關(guān)函數(shù)。
 

　　該項(xiàng)研究突破了集成量子光子學(xué)中長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵障礙，實(shí)現(xiàn)了芯片上獨(dú)立單光子源間的高可見度量子干涉，為未來基于片上集成單光子源的量子邏輯運(yùn)算奠定了基礎(chǔ)。這一成果不僅是構(gòu)建大規(guī)模光量子處理器的重要一步，也為量子光學(xué)和波導(dǎo)量子電動(dòng)力學(xué)研究提供了穩(wěn)定可靠的實(shí)用平臺(tái)。
 

　　我校物理學(xué)院博士生黃泰臨、許淼淼、金偉、池軼瑄和浙江大學(xué)光電學(xué)院劉衛(wèi)喜博士為論文共同第一作者；物理學(xué)院博士任鵬龍、韋尚明以及博士生白正萱作出重要貢獻(xiàn)；陳學(xué)文、唐建偉和浙江大學(xué)光電學(xué)院時(shí)堯成教授為論文的共同通訊作者；我校為第一通訊單位。