中国科大在高性能单光子源方面取得重要进展

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、霍永恒等和中山大学余思远小组、国家纳米科学中心戴庆小组、德国维尔兹堡大学Hofling小组以及丹麦科技大学Gregersen等合作，在国际上首次提出椭圆微腔耦合实现确定性偏振单光子的理论方案，并在窄带和宽带两种微腔上成功实验实现了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，为光学量子计算特别是超越经典计算能力的量子霸权的实现奠定了坚实的科学基础。论文以长文形式于近日在国际权威学术期刊《自然·光子学》上在线发表。

单光子源是光学量子信息技术的核心资源。一个完美的单光子源需要同时满足确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率这四个几乎相互矛盾的严苛条件。2000年，美国加州大学研究组在量子点体系观测到单光子反聚束。2002年，斯坦福大学研究组观测到双光子干涉。随后，法国科学研究中心、斯坦福大学、东京大学、维尔兹堡大学、苏黎世理工学院等研究组演示了单量子点和各种微纳光子结构的耦合。然而，这些技术制备的单光子品质差，无法在实用化量子技术中应用。

2013年，潘建伟、陆朝阳等在国际上首创量子点脉冲共振激发技术，从根本上消除了量子点激子的消相干效应，解决了单光子源的确定性产生和高品质这两个基本问题。这个技术只需要相比之前万分之一的激发功率即可确定地产生99.5%品质的单光子，因而很快成为国际上公认的制备高质量单光子源的最佳利器，激发了学术界在单光子研究方向的新热潮。为了提高荧光提取效率，2016年，中国科大研究组结合高精度分子束外延、纳米刻蚀和共振激发，实现了单量子点精确耦合的高品质因子谐振腔，产生了当时国际上综合性能最优的单光子源，并初步应用于构建超越早期经典计算能力的针对波色取样问题的光量子计算原型机。中国科大研究组从2013年起一直引领高性能单光子源的发展。然而，要实现完美的单光子源，还存在着两个悬而未决的难题：一、量子点会随机发射两种偏振的光子，二、共振激发需要消除背景激光。这两个难题使得现有的单光子源必须在高品质和高效率之间做权衡，成为多年来难以逾越的障碍。

解决这两个关键问题需要理论和实验的同步创新。在理论上，中国科大研究组提出采用椭圆微腔打破对称性的方案，使腔模劈裂成两个非简并的垂直偏振的模式，从而选择性地增强单一偏振的单光子。在实验上，研究组发展了垂直偏振无损消光技术，从而同时解决了上述的两个难题，达到了一石二鸟的效果。在此基础上，研究组分别在窄带微柱和宽带靶眼微腔中，实验制备同时满足确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，再次刷新了单光子源综合性能的国际记录，为量子霸权目标的实现迈进了重要一步。这项成果标志着我国在可扩展光学量子信息技术方面在国际上进一步扩大领跑的优势。

图2 基于量子点的单光子源的两个核心指标的综合性能国际发展总结

审稿人评价该工作“解决了一个长期存在的挑战”（a long standing challenge in the scientific community to develop the ideal single-photon source），“显然是一个高技术成就”（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），“将有力地推进研究”（important in the field of quantum nanophotonics and can strongly advance studies）。

该研究工作得到了自然科学基金委、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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