中國在國際上首次實現高性能單光子源
2020-12-05 觀察者網觀察者網14日從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉小組與其合作者，首次實現了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學量子計算，特別是超越經典計算能力的量子霸權的實現奠定了堅實的科學基礎。研究成果以長文形式日前在國際權威學術期刊《自然·光子學》上在線發表。
圖1：量子點微腔。 本文圖自中國科技大學
單光子源是光學量子信息技術的核心資源。一個完美的單光子源需要同時滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率這四個幾乎相互矛盾的嚴苛條件。然而，以目前技術製備的單光子品質差，無法在實用化量子技術中應用。要實現完美的單光子源，還存在著兩個難題：一是量子點會隨機發射兩種偏振的光子；二是共振激發需要消除背景雷射。這兩個難題成為多年來難以逾越的障礙。
解決這兩個關鍵問題需要理論和實驗的同步創新。在理論上，中國科大研究組提出採用橢圓微腔打破對稱性的方案，使腔模劈裂成兩個非簡併的垂直偏振的模式，從而選擇性地增強單一偏振的單光子。在實驗上，研究組發展了垂直偏振無損消光技術，從而同時解決了上述的兩個難題，達到了「一石二鳥」的效果。在此基礎上，研究組分別在窄帶微柱和寬帶靶眼微腔中，實驗製備同時滿足確定性偏振、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，為量子霸權目標的實現邁進了重要一步。
圖2：基於量子點的單光子源的兩個核心指標的綜合性能國際發展總結。
這項成果標誌著我國在可擴展光學量子信息技術方面在國際上進一步擴大了領跑的優勢。審稿人評價該工作「解決了一個長期存在的挑戰……是巨大的一步」「將有力地推進研究」。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41566-019-0494-3
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