Наскоро екипът за квантови изчисления с квантови точки, ръководен от Hu Chengyong в Пекинската академия за квантова информация (наричана по-нататък „Академията“) реализира нов квантов източник на светлина-лазерно-преобразуван единичен-фотонен източник-чрез използване на наситения нелинеен ефект и единичен{4}}ефект на превключване на фотони от единични квантови точки. Този източник показва ултрадълго време на кохерентност (258±2 микросекунди) и стабилна фотонна хомогенност, като характеристиките на един-фотон достигат оптималното ниво на конвенционалните източници на единични-фотони,-базирани на спонтанни емисии. Той е обещаващ като стандартен квантов източник на светлина за квантови интернет приложения. На 18 ноември 2025 г. резултатите от изследването бяха публикувани в Optica под заглавието „Преобразуване на лазерна светлина в единични фотони с ултрадълго време на кохерентност“.
Фотоните служат като идеални носители за предаване на квантова информация и решаващи средства за обработка на квантова информация. Източниците на единични-фотони формират основните компоненти на квантовите технологии като оптични квантови изчисления, разпределени квантови изчисления, квантова комуникация и квантово прецизно измерване. Понастоящем подготовката на един-фотонен източник се основава основно на два технически подхода: единият е вероятностен метод, базиран на спонтанно параметрично низходящо-преобразуване (SPDC) или спонтанно четири-вълново смесване (SFWM); другият са детерминистични методи, базирани на спонтанно излъчване от единични-квантови системи, като студени атоми, йонни капани, квантови точки или цветни центрове. През последните години източниците на единични-фотони с квантови точки-тип емисии постигнаха значителен напредък към постигане на идеални източници на единични{10}}фотони, демонстриращи почти 100% чистота на единични-фотони и фотонна идентичност. Въпреки това, базираните на емисии-единични{15}}фотонни източници все още са изправени пред ограничения: ограничени от два пъти по-дълъг живот на екситона, времето им за кохерентност от първи-порядък е изключително кратко (само десетки до стотици пикосекунди), а фотонната идентичност е податлива на влошаване от шум от заряд и шум от въртене. Бъдещото развитие на квантовия интернет разчита на кохерентна квантова комуникация, базирана на дву-фотонна или един-фотонна интерференция, изискващи единични-фотонни източници с отлична кохерентност и стабилна фотонна идентичност. Базираните-емисионни-източници на единични{23}}фотони понастоящем се борят да отговорят напълно на тези изисквания. Въпреки че лазерите по своята същност притежават изключителна кохерентност, те не могат да бъдат директно атенюирани до състояния на един-фотон с помощта на линейни оптични елементи.
За да се справи с тези предизвикателства, изследователският екип си сътрудничи с Института по полупроводници, Китайската академия на науките, предлагайки и реализирайки трети метод за подготовка на един-фотонен източник: базиран на лазерно преобразуване-единичен{2}}фотонен източник (LCSPS). За разлика от традиционните структури с едно-странна оптична микрокухина, които обикновено се използват в емисионни-тип единични{6}}фотонни източници, екипът проектира симетрична двустранна-странна оптична микрокухина [вижте Фигура 1(a)]. Тази структура ефективно потиска лазерното разсейване в кухината, без да разчита на ортогонални поляризационни филтри. След отражение в системата за свързване на микрокухината с квантови точки-, лазерът се преобразува директно в единичен фотон [вижте Фигура 1(a)], проявявайки следните изключителни свойства: ултра-дълго време на кохерентност [258±2 μs, вижте Фигура. 2(b)], стабилна неразличимост на фотоните [94,3±0,2%, вж. Фигура. 2(c)] и перфектна чистота на един-фотон [g(2)(0)=0.030±0,002, вижте Фигура. 1(e)]. Всички данни представляват необработени резултати от измерване.
Принципът на работа на лазерно{0}}преобразувания източник на един-фотон може да бъде качествено обяснен въз основа на наситената нелинейност и ефектите на превключване на единични-фотони на единични квантови точки: Когато един фотон взаимодейства с квантовата точка и се отразява от нея, последващите падащи фотони се предават в рамките на живота на екситона поради навлизането на квантовата точка в наситен състояние. Този процес кара отразената светлина да проявява анти-кохерентно поведение, показвайки едно-фотонни характеристики, докато предаваната светлина проявява кохерентни ефекти, притежаващи много-фотонни свойства. Основният дълбок физически механизъм произтича от квантовата интерференция между кохерентни състояния (т.е. лазер) и много{10}}фотонни състояния. Този процес на интерференция ефективно потиска вероятността много{12}}фотонни компоненти да се появят в отразеното светлинно поле, трансформирайки отразеното лазерно светлинно поле в единични фотони.
Наследявайки кохерентността от първи{0}}порядък и стабилната фотонна идентичност на лазерите, лазерно{1}}преобразуваните единични{2}}фотонни източници могат да бъдат широко приложени в различни интерференционни-базирани квантови комуникационни протоколи, единични-фотонно фазирани-решетки квантови радари и-заключени единични-фотони източници. Те обещават като стандартен квантов източник на светлина за бъдещия квантов интернет.
Фигура 1
(a) Схема на структурата и принципа на работа на лазерно{0}}преобразувания един-фотонен източник; б) изображение на устройството от сканиращ електронен микроскоп; (c) Спектри на кохерентно отражение при различни интензитети на задвижване, демонстриращи съотношение на превключване на един-фотон 50:1; (d) Нулева стойност g(2)(0) на корелационната функция от втори-порядък на отразеното светлинно поле като функция на лазерната настройка; (e) Корелационна функция от втори-порядък g(2)(t) на отразеното светлинно поле при ниски интензитети на задвижване.
Фигура 2 (a) Кохерентност от първи-порядък на единичен-фотонен източник, характеризиращ се с интерферометрия на Mach-Zehnder; (b) Демонстрация, че лазерният{4}}преобразуващ-източник с един-фотон споделя същото време на кохерентност като задвижващия лазер, постигнато чрез забавена хетеродинна интерферометрия и измервания на-разрешени съвпадения; (c) Еволюция на видимостта на дву-фотонна интерференция с разликата във времето на излъчване, доказваща стабилната фотонна хомогенност на източника.
Първите автори на тази статия са Wang Mannan и Li Yanfeng, докторанти в Института по квантова информация, с кореспондиращ автор Hu Chengyong, изследовател в същия институт. Съавторите включват Zeng Chuanyu, докторант в Института по квантова информация; Huang Guoqi, докторант в Пекинския университет по пощи и телекомуникации; инженерите Liu Li, Wang Wenyan и Ji Weijie от Института по квантова информация; както и постдокторант Liu Hanqing, изследователи Ni Haiqiao и Niu Zhichuan от Института по полупроводници, Китайската академия на науките. Тази работа беше подкрепена от Пекинската фондация за природни науки и Националната ключова научноизследователска и развойна програма на Китай.
