中國科大在高性能單光子源方面取得重要進(jìn)展

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽、霍永恒等和中山大學(xué)余思遠(yuǎn)小組、國家納米科學(xué)中心戴慶小組、德國維爾茲堡大學(xué)Hofling小組以及丹麥科技大學(xué)Gregersen等合作，在國際上首次提出橢圓微腔耦合實(shí)現(xiàn)確定性偏振單光子的理論方案，并在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學(xué)量子計(jì)算特別是超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。論文以長文形式于近日在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上在線發(fā)表。

單光子源是光學(xué)量子信息技術(shù)的核心資源。一個(gè)完美的單光子源需要同時(shí)滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率這四個(gè)幾乎相互矛盾的嚴(yán)苛條件。2000年，美國加州大學(xué)研究組在量子點(diǎn)體系觀測到單光子反聚束。2002年，斯坦福大學(xué)研究組觀測到雙光子干涉。隨后，法國科學(xué)研究中心、斯坦福大學(xué)、東京大學(xué)、維爾茲堡大學(xué)、蘇黎世理工學(xué)院等研究組演示了單量子點(diǎn)和各種微納光子結(jié)構(gòu)的耦合。然而，這些技術(shù)制備的單光子品質(zhì)差，無法在實(shí)用化量子技術(shù)中應(yīng)用。

2013年，潘建偉、陸朝陽等在國際上首創(chuàng)量子點(diǎn)脈沖共振激發(fā)技術(shù)，從根本上消除了量子點(diǎn)激子的消相干效應(yīng)，解決了單光子源的確定性產(chǎn)生和高品質(zhì)這兩個(gè)基本問題。這個(gè)技術(shù)只需要相比之前萬分之一的激發(fā)功率即可確定地產(chǎn)生99.5%品質(zhì)的單光子，因而很快成為國際上公認(rèn)的制備高質(zhì)量單光子源的最佳利器，激發(fā)了學(xué)術(shù)界在單光子研究方向的新熱潮。為了提高熒光提取效率，2016年，中國科大研究組結(jié)合高精度分子束外延、納米刻蝕和共振激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了單量子點(diǎn)精確耦合的高品質(zhì)因子諧振腔，產(chǎn)生了當(dāng)時(shí)國際上綜合性能最優(yōu)的單光子源，并初步應(yīng)用于構(gòu)建超越早期經(jīng)典計(jì)算能力的針對波色取樣問題的光量子計(jì)算原型機(jī)。中國科大研究組從2013年起一直引領(lǐng)高性能單光子源的發(fā)展。然而，要實(shí)現(xiàn)完美的單光子源，還存在著兩個(gè)懸而未決的難題：一、量子點(diǎn)會隨機(jī)發(fā)射兩種偏振的光子，二、共振激發(fā)需要消除背景激光。這兩個(gè)難題使得現(xiàn)有的單光子源必須在高品質(zhì)和高效率之間做權(quán)衡，成為多年來難以逾越的障礙。

解決這兩個(gè)關(guān)鍵問題需要理論和實(shí)驗(yàn)的同步創(chuàng)新。在理論上，中國科大研究組提出采用橢圓微腔打破對稱性的方案，使腔模劈裂成兩個(gè)非簡并的垂直偏振的模式，從而選擇性地增強(qiáng)單一偏振的單光子。在實(shí)驗(yàn)上，研究組發(fā)展了垂直偏振無損消光技術(shù)，從而同時(shí)解決了上述的兩個(gè)難題，達(dá)到了一石二鳥的效果。在此基礎(chǔ)上，研究組分別在窄帶微柱和寬帶靶眼微腔中，實(shí)驗(yàn)制備同時(shí)滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，再次刷新了單光子源綜合性能的國際記錄，為量子霸權(quán)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了重要一步。這項(xiàng)成果標(biāo)志著我國在可擴(kuò)展光學(xué)量子信息技術(shù)方面在國際上進(jìn)一步擴(kuò)大領(lǐng)跑的優(yōu)勢。

圖2 基于量子點(diǎn)的單光子源的兩個(gè)核心指標(biāo)的綜合性能國際發(fā)展總結(jié)

審稿人評價(jià)該工作“解決了一個(gè)長期存在的挑戰(zhàn)”（a long standing challenge in the scientific community to develop the ideal single-photon source），“顯然是一個(gè)高技術(shù)成就”（certainly a technological achievement of high order），“是巨大的一步”（excellent news for the photonic quantum engineering community, since this is a huge step forward），“將有力地推進(jìn)研究”（important in the field of quantum nanophotonics and can strongly advance studies）。

該研究工作得到了自然科學(xué)基金委、中科院、科技部、教育部、安徽省、上海市科委等的支持。

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