【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在構(gòu)建未來量子互聯(lián)網(wǎng)和量子計算機的宏偉藍(lán)圖中，高純度的單光子源如同不可或缺的“純凈光源”，是進(jìn)行安全通信和精確計算的基礎(chǔ)。然而，在實際應(yīng)用中，科學(xué)家們長期面臨一個棘手難題：理論上完美的單光子源，其輸出中總會混入不必要的“雙光子”噪聲，嚴(yán)重制約了量子技術(shù)的性能提升。以往，學(xué)界普遍將這一雜質(zhì)主要歸咎于實驗裝置的光學(xué)反射。但北京量子信息科學(xué)研究院袁之良團(tuán)隊的一項最新研究，從根本上顛覆了這一傳統(tǒng)認(rèn)知，首次系統(tǒng)揭示了限制單光子純度的兩大內(nèi)在物理機制，為研制更高性能的量子光源指明了全新的方向。
追根溯源：超越“反射背景”的深度探索
在量子信息領(lǐng)域，單光子源的純度通常通過二階關(guān)聯(lián)函數(shù)g²(0)來衡量，其理想值應(yīng)為0，表示絕對不存在兩個光子同時出現(xiàn)的情況。然而，基于固態(tài)量子點(一種優(yōu)異的人造原子)的單光子濾波器，其g²(0)值常被觀測到高于理想值，即存在“雙光子成分”。長久以來，主流觀點認(rèn)為，這些多余的光子主要來源于泵浦激光被微腔結(jié)構(gòu)反射而形成的背景噪聲。只要精巧地設(shè)計光學(xué)結(jié)構(gòu)，似乎就能解決問題。
袁之良團(tuán)隊的研究卻跳出了這一框架，他們直指核心：即便最大限度地抑制了來自外部的激光反射，單光子純度是否就能逼近理論極限？ 為了回答這個問題，研究團(tuán)隊設(shè)計了一套極其精巧的實驗。他們采用了反射率低至1%的微柱腔，這幾乎將腔體反射的激光背景降到了可忽略不計的水平。同時，他們結(jié)合脈沖共振激發(fā)技術(shù)，對單個量子點進(jìn)行精確調(diào)控。
發(fā)現(xiàn)核心機制：量化雙光子的“真正起源”
通過這一近乎理想的實驗平臺，團(tuán)隊對輸出的單光子進(jìn)行了極其精細(xì)的測量，包括時間分辨光譜和高階關(guān)聯(lián)函數(shù)分析。結(jié)果令人驚訝且清晰：
多次激發(fā)貢獻(xiàn)61.9%：這是指在一個激發(fā)脈沖周期內(nèi)，量子點被意外地多次激發(fā)，從而導(dǎo)致發(fā)射出多個光子。這揭示了能量注入過程本身的內(nèi)在隨機性。
受激發(fā)射貢獻(xiàn)37.6%：這是更具深度的發(fā)現(xiàn)。它意味著，當(dāng)?shù)谝粋€光子被發(fā)射后，其存在會以一種受激輻射的方式，誘發(fā)量子點發(fā)射第二個相干光子。這一過程揭示了光與物質(zhì)在單量子層面強耦合作用的另一面。
殘余激光反射僅占0.5%：傳統(tǒng)上被認(rèn)為是主要噪聲源的反射背景，在此次實驗中貢獻(xiàn)微乎其微。
這一精確的量化數(shù)據(jù)(61.9%, 37.6%, 0.5%)鐵證如山，首次證實多次激發(fā)和受激發(fā)射才是限制固態(tài)單光子源純度的兩大核心物理機制。研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所用激光脈沖的寬度與量子點本身的激子壽命相當(dāng)時，受激發(fā)射的貢獻(xiàn)會變得尤為顯著，這為動態(tài)調(diào)控光子發(fā)射特性提供了關(guān)鍵見解。
邁向未來：為下一代量子光源設(shè)計繪制藍(lán)圖
這項名為《揭示固態(tài)單光子濾波器中雙光子成分起源》的研究，其意義遠(yuǎn)不止于澄清一個科學(xué)疑問。它如同一份清晰的“診斷報告”，確切地指出了現(xiàn)有技術(shù)路線的瓶頸所在。
基于這一革命性認(rèn)知，研究團(tuán)隊為未來更高純度單光子源的設(shè)計提出了切實可行的藍(lán)圖：
采用寬帶、低反射率微腔，繼續(xù)抑制無關(guān)反射。
優(yōu)化激發(fā)脈沖，使用更短、更精確的脈沖來減少多次激發(fā)的概率，并謹(jǐn)慎調(diào)節(jié)脈沖參數(shù)以規(guī)避會增強受激發(fā)射的區(qū)間。
這一新理解也可能推動人們探索全新的材料體系或量子發(fā)射體結(jié)構(gòu)，從物理源頭削弱這兩大內(nèi)在機制。
這項由袁之良團(tuán)隊完成，王嘉俊、王健、吳邦等研究人員共同主導(dǎo)的突破性工作，已發(fā)表在權(quán)威期刊《ACS光子學(xué)》上。它不僅是基礎(chǔ)研究的重要進(jìn)展，更是連接基礎(chǔ)科學(xué)與工程應(yīng)用的橋梁。通過揭開單光子純度最深層的物理限制，這項研究為量子光源的性能提升掃清了關(guān)鍵認(rèn)知障礙，加速了高保真度量子計算、遠(yuǎn)距離量子通信等前沿技術(shù)的實用化進(jìn)程，讓我們向駕馭量子之光的未來又邁進(jìn)了一大步。
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