突破量子通信瓶頸！德國(guó)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出高性能通信波段單光子源

來自德國(guó)斯圖加特大學(xué)與維爾茨堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)宣布，他們成功演示了一種在通信 C 波段工作的高質(zhì)量單光子源，實(shí)現(xiàn)了按需產(chǎn)生單光子，并取得接近 92% 的雙光子干涉可見度。

這一結(jié)果被認(rèn)為是面向可擴(kuò)展光子量子計(jì)算和量子通信的重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果已發(fā)表在《Nature Communications》上（IT之家附 DOI:10.1038/s41467-026-68336-0）。

該研究領(lǐng)導(dǎo)者、斯圖加特大學(xué)教授斯特凡妮 · 巴爾茨（Stefanie Barz）表示：“十多年來，缺乏一種高質(zhì)量、可按需工作的通信 C 波段單光子源一直是量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室面臨的主要問題，而我們的新技術(shù)現(xiàn)在消除了這一障礙?！?/p>

在量子技術(shù)中，光子的“不可區(qū)分性”至關(guān)重要。當(dāng)多個(gè)光子在所有物理屬性上完全一致時(shí)，它們才能發(fā)生高質(zhì)量的量子干涉，從而增強(qiáng)或抑制特定測(cè)量結(jié)果。這類效應(yīng)是量子計(jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)等新興技術(shù)的基礎(chǔ)。

論文第一作者、斯圖加特大學(xué)研究人員尼科 · 豪澤（Nico Hauser）報(bào)告稱，他們研制的光子源不僅能夠按需產(chǎn)生光子，而且其工作波長(zhǎng)與現(xiàn)有通信基礎(chǔ)設(shè)施兼容，可滿足實(shí)際應(yīng)用。

為了實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的光子量子技術(shù)，光子源必須與光纖通信網(wǎng)絡(luò)相兼容，這意味著需要在約 1550 納米的通信 C 波段工作，該波段在石英光纖中的損耗最低。此前，基于量子點(diǎn)的光子源在較短波長(zhǎng)范圍（780–960 納米）已能實(shí)現(xiàn)接近理想的光子特性，但要將這些性能擴(kuò)展到通信波段一直存在困難。

目前常用的一種替代方案是自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC），該方法可以產(chǎn)生高質(zhì)量光子，但過程是隨機(jī)的，無法預(yù)測(cè)光子產(chǎn)生的具體時(shí)間，因而難以同步多個(gè)光子源。相比之下，確定性光子源可以在觸發(fā)時(shí)必然產(chǎn)生光子。雖然已有量子點(diǎn)器件可在通信 C 波段工作，但此前其雙光子干涉可見度最高約為 72%，明顯低于 SPDC 光子源的水平，也不足以滿足高要求的量子協(xié)議。對(duì)此，巴爾茨表示：“我們的新器件現(xiàn)在打破了這一瓶頸?！?/p>

研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型光子源采用了嵌入在銦鋁鎵砷材料中的砷化銦量子點(diǎn)，并將其集成到環(huán)形布拉格光柵諧振腔中，以增強(qiáng)光子發(fā)射效率。研究人員系統(tǒng)比較了多種激發(fā)方案，發(fā)現(xiàn)通過晶格振動(dòng)介導(dǎo)的激發(fā)方式，而非使用更高能量的光泵浦量子點(diǎn)，可以獲得最佳效果。在這種工作模式下，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了接近 92% 的原始雙光子干涉可見度，這是目前在通信 C 波段確定性單光子源中報(bào)道的最高值。

研究人員指出，這一成果使確定性量子點(diǎn)光子源在性能上首次接近隨機(jī)型 SPDC 光子源，同時(shí)保留了“按需產(chǎn)生光子”的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。豪澤表示：“我們同時(shí)實(shí)現(xiàn)了確定性單光子產(chǎn)生、通信 C 波段發(fā)射以及高光子不可區(qū)分性，這將使需要大量同步光子的應(yīng)用成為可能，包括基于測(cè)量的量子計(jì)算以及用于遠(yuǎn)距離通信的量子中繼器。”

該研究由斯圖加特大學(xué)與維爾茨堡大學(xué)合作完成，其中維爾茨堡團(tuán)隊(duì)在斯文 · 赫夫林（Sven H?fling）教授帶領(lǐng)下負(fù)責(zé)量子點(diǎn)樣品的制備。雙方在 PhotonQ 項(xiàng)目框架下開展合作，目標(biāo)是為新型實(shí)用光子量子處理器奠定基礎(chǔ)。該處理器計(jì)劃部署在斯圖加特大學(xué)，并有望利用這種“按需定制”的光子釋放光子量子計(jì)算的潛力。研究團(tuán)隊(duì)還表示，這類新型光子源將成為未來構(gòu)建分布式量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)，并將在 Quantenrepeater.Net（QR.N）項(xiàng)目中發(fā)揮作用。

來源：IT之家

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