我國(guó)單光子源國(guó)際綜合性能最優(yōu)

英佳

中國(guó)科技大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)等近日在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)基于半導(dǎo)體量子點(diǎn)的高效率和高全同性的單光子源，綜合性能達(dá)到國(guó)際最優(yōu)，為實(shí)現(xiàn)基于固態(tài)體系的大規(guī)模光子糾纏和量子信息技術(shù)奠定了科學(xué)基礎(chǔ)。

量子點(diǎn)是通過(guò)分子束外延方法制備的半導(dǎo)體量子器件，原理上可以為量子信息技術(shù)提供理想的單光子源。為了能夠真正用于可擴(kuò)展、實(shí)用化的量子信息技術(shù)，單光子器件必須同時(shí)滿足三個(gè)核心性能指標(biāo)：?jiǎn)喂庾有?、高全同性和高提取效率。盡管從2000年開(kāi)始，國(guó)際上許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)量子點(diǎn)光學(xué)調(diào)控進(jìn)行了深入探索，然而這三個(gè)核心指標(biāo)一直無(wú)法同時(shí)滿足，因而成為固態(tài)量子光學(xué)領(lǐng)域15年來(lái)懸而未決的重大挑戰(zhàn)。

2013年，潘建偉、陸朝陽(yáng)等首創(chuàng)量子點(diǎn)脈沖共振激發(fā)，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)國(guó)際上全同性最好的單光子源。但由于量子點(diǎn)平面腔結(jié)構(gòu)的限制，之前的實(shí)驗(yàn)中熒光收集效率較低。為了大幅提高熒光提取效率，他們通過(guò)高精度分子束外延生長(zhǎng)與納米刻蝕工藝結(jié)合，獲得了低溫下與量子點(diǎn)單光子頻率共振的高品質(zhì)因子光學(xué)諧振腔。結(jié)果顯示，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的單光子源提取效率達(dá)到66%，單光子性優(yōu)于99.1%，全同性優(yōu)于98.6%，在國(guó)際上首次同時(shí)解決了單光子源的三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，成為目前國(guó)際上綜合性能最優(yōu)秀的單光子源。

該實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的量子點(diǎn)單光子源亮度比國(guó)際上最好的基于參量下轉(zhuǎn)換的觸發(fā)式單光子提高了10倍，而且所需激光泵浦功耗降低1千萬(wàn)倍（納瓦量級(jí)）。這樣的量子點(diǎn)單光子源可在將來(lái)應(yīng)用于大規(guī)模光子糾纏，進(jìn)一步推動(dòng)多光子糾纏與干涉度量學(xué)的發(fā)展。