7月9日，《自然》雜誌（Nature）在線發表中山大學物理學院王雪華、劉進教授團隊主導的最新研究成果。該團隊提出了一種全新的腔誘導自發雙光子輻射方案，在國際上率先實現與單光子輻射強度相當的自發雙光子輻射，研發出保真度高達99.4%的按需觸髮式新型微納量子糾纏光源。這一成果為新一代量子精密測量技術的發展，以及功能化光量子信息處理芯片的構建提供了關鍵支撐。
論文截圖。
在量子世界裡，一對光子能像心靈感應的雙胞胎——即使相隔萬里，測量其中一個，另一個瞬間“回應”。這種神奇的量子糾纏，在量子計算、量子通信和量子精密測量等多個領域發揮着至關重要的作用。
相較於讓光子隨機“結對子”，中山大學團隊選擇直接培育光子“雙胞胎”，讓它們自誕生時便具備“量子羈絆”，實現量子糾纏。
“某些特殊材料，比如我們採用的‘人造原子’結構，有概率在同一時刻發射兩個緊密關聯的光子，這種現象被稱為‘自發雙光子輻射’。”論文第一作者、中山大學物理學院副教授劉順發說。
儘管在20世紀60年代，研究人員就已提出相關的理論預言，但由於原子總是傾向於一次只輻射一個光子，“雙胞胎”光子的產生概率通常遠遠低於單光子產生概率，實驗上幾乎無法觀測。近40年來，儘管國際上眾多研究團隊進行了多種實驗嘗試，該領域仍未能取得實質性突破。
如今，半導體的材料生長與器件加工技術的突破為自發雙光子輻射的實驗實現提供了關鍵支持。“我們設計了超高品質的光學微腔，並在微納尺度上精細調控光子的產生過程。”劉順發說，這種光學微腔為“雙胞胎”光子的產生搭建了專屬通道，在實驗中將雙光子的輻射效率從小於0.1%提升到了約50%，從而使製備可控觸發的糾纏光子對源成為可能。
自發雙光子輻射。（a）雙光子糾纏概念圖；（b）腔誘導的自發雙光子輻射光譜；（c）自發雙光子輻射的量子關聯特性。
“我們就像在納米尺度上打造了一個專門生產糾纏光子的工廠。”劉順發表示，該研究基於納米尺寸的固態“人造原子”結構，提出了一種腔誘導的自發雙光子輻射方案，在國際上率先實現了與單光子輻射強度相當的自發雙光子輻射，突破了“光子輻射的二階量子過程必然遠弱於一階過程”的傳統認知，成功製備出保真度高達99.4%的按需觸髮式新型糾纏光子對源。
“這一指標意味着我們的糾纏光子‘心靈感應’的強度極高，也顯示出這項技術在提升量子通信安全性、量子計算可靠性、量子計量精度等方面的巨大潛力。”劉順發說。
《自然》雜誌審稿人高度評價這一成果，認為其是“雙光子研究領域的突破性進展”“實現了保真度創紀錄的糾纏光子對”。
論文第一作者劉順發開展量子光學測量實驗。
該工作由中山大學主導完成，中山大學物理學院教授劉進為論文通訊作者，中山大學物理學院教授王雪華對該工作提供了重要指導，中山大學物理學院副教授劉順發為論文第一作者。中國科學院半導體所研究員牛智川、倪海橋、楊成奧，博士劉汗青以及中山大學教授喻穎在量子點生長方面提供了重要支持，德國多特蒙德大學博士生 Yasser Saleem和教授 Moritz Cygorek在量子光學理論方面提供了重要支持，天津大學教授胡小龍與博士孟贇為該工作提供了用於壽命測試的超導單光子探測器，中山大學博士生王楊鵬、博士畢業生李學詩、博士後楊家煒對該論文的實驗部分亦有貢獻。
劉順發表示，下一步，團隊將利用研究中實現的高保真度糾纏光源和高純度雙光子源，繼續開展量子精密測量與量子通信應用方面的研究。
南方+記者 姚昱暘 李秀婷
通訊員 朱嘉豪 李建平
【作者】 姚昱暘；李秀婷
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