中國新型量子點發射器產出超高純度光子對，可用于量子網絡

與非線性晶體光源不同，這種半導體器件可以單個量子發射器產生光子對。

過去十年間，研究人員已能嫻熟地制造按需發射單光子的器件，這是量子計算的關鍵要素之一。然而，可靠地同時產生恰好兩個光子仍是一項挑戰。

如今，中國研究人員開發出一種裝置，其行為宛如一座微型光子對工廠。實驗中，該器件發射的光中有98.3%以光子對的形式出現，這是固態器件迄今達到的最純凈結果之一。

光子對極具價值，因為它們可以相互關聯或糾纏，意味著它們表現得如同步調一致的伙伴。例如，"糾纏的雙光子系統在時間和能量上都保持著永恒的同步。這一特性在精密測量和量子成像中被證明是無價的，"該研究的作者之一、北京量子信息科學研究院首席科學家袁之良向媒體表示。

此外，這樣的光子對可以實現超安全通信、更靈敏的量子傳感器以及高度先進的醫學成像技術。
通過展示迄今為止最高效的固態雙光子源之一，研究人員向量子光子學的實際應用又邁進了一步。

同時制造兩個光子為何如此困難

從單個發射器產生光子對并非易事。傳統的光子對源依賴于非線性晶體，其中一束高能激光光子分裂成兩個能量較低的光子。

盡管被廣泛使用，但"非線性晶體光源本質上是概率性的，有時發射單對，有時發射兩對甚至多對光子，"袁之良說。這種隨機性會引入噪聲并降低效率。

科學家們一直希望半導體量子點（常被描述為人造原子的微小半導體顆粒）能夠解決這個問題。當受到光激發時，這些納米尺度的結構會隨著電子落回低能態而釋放光子。

理論上，量子點可以通過稱為雙激子-激子級聯的過程發射兩個光子，即兩個被激發的電子相繼復合。

然而在實踐中，這個過程很少能很好地工作。一旦量子點中的一個電子被激發，它通常會立即發射一個光子并弛豫，從而阻止系統形成級聯所需的雙電子態。

因此，從單個量子點可靠地產生光子對一直極其困難。

將暗態轉變為光子對發生器

為了克服這一限制，新開發的器件將單個量子點放置在一個微觀的光學柱形微腔內——這是一種比頭發絲還細的結構，能夠捕獲并改善光發射。

該腔通過珀塞爾效應增強了這一過程，提高了光子發射的速率。關鍵的創新在于引導量子點進入一種稱為暗激子的長壽命量子態。

簡單來說，這種狀態像一個臨時的等待室，不容易發光。被激發的電子不會立即釋放光子，而是可以在那里停留足夠長的時間，直到另一個電子到來。

研究人員使用精心調諧的激光脈沖和一種稱為偏振選擇p殼層激發的技術，將電子引導進入這種暗態。一旦兩個電子同時占據量子點，它們就形成了雙激子態。

然后，該狀態通過兩步級聯衰減，快速相繼釋放出兩個光子。由于量子點位于光學微腔內，受激雙光子過程也可以增強發射，進一步提高了光子之間的關聯性。

結果令人矚目。實驗表明，收集到的光中有98.3%以光子對的形式出現。光子對產生效率達到29.9%，是該類系統中報道的最佳水平之一。

測得的雙光子關聯值g2(0)約為3.97，表明有很強的光子對發射。總體而言，98.3%的發射光子屬于光子對。換句話說，該系統有效地扮演了一個微型雙光子工廠的角色，以極高的純度釋放成對的光子。

"通過利用量子點微腔中雙激子布居的暗態路徑，產生了明亮的高純度光子對，為邁向實用的雙光子源提供了一條有前景的途徑，"研究作者指出。

技術仍需改進

盡管性能令人印象深刻，但該器件仍存在局限性。它目前只能在低于10開爾文（接近液氦條件）的極低溫度下運行。

為了實際應用，科學家們希望將工作溫度提升至接近液氮水平（高于77開爾文），這將使該技術的部署變得更容易、更廉價。

研究人員現在計劃進一步提高光子對的質量，并探索能夠實現更高溫度運行的新材料。如果成功，他們的工作將使實用的按需光子對源更接近現實。

該研究發表在《自然·材料》雜志上。

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