A közelmúltban a Hu Chengyong által vezetett kvantumpont kvantumszámítási csapat a Pekingi Kvantuminformációs Tudományos Akadémia (a továbbiakban: Akadémia) egy új kvantumfényforrást valósított meg, -egy lézeres-egy-fotonforrást-konvertált egyetlen-fotonforrással-a telített, nemlineáris kapcsolási effektus felhasználásával kvantumpontok. Ez a forrás ultrahosszú koherenciaidőt (258±2 mikroszekundum) és robusztus fotonhomogenitást mutat, az egy-foton teljesítménye eléri a hagyományos spontán emissziós-alapú egy{10}}fotonforrások optimális szintjét. Ígéretesnek tűnik, mint szabványos kvantumfényforrás a kvantuminternetes alkalmazásokhoz. A kutatási eredményeket 2025. november 18-án tették közzé az Opticában "A lézerfény átalakítása egyedi fotonokká ultrahosszú koherenciaidővel" címmel.
A fotonok ideális hordozóként szolgálnak a kvantuminformációk átviteléhez, és kulcsfontosságú eszközei a kvantuminformációk feldolgozásának. Az egy-fotonforrások alkotják a kvantumtechnológiák, például az optikai kvantumszámítástechnika, az elosztott kvantumszámítástechnika, a kvantumkommunikáció és a kvantumprecíziós mérés alapvető összetevőit. Jelenleg az egy-fotonforrás előkészítése elsősorban két technikai megközelítésen alapul: az egyik a spontán parametrikus le-konverzión (SPDC) vagy a spontán négy-hullámkeverésen (SFWM) alapuló valószínűségi módszerek; a másik olyan determinisztikus módszerek, amelyek egyedi kvantumrendszerekből, például hideg atomokból, ioncsapdákból, kvantumpontokból vagy színközpontokból származó spontán emisszión alapulnak. Az elmúlt években az emissziós -típusú kvantumpontos egy-fotonforrások jelentős előrehaladást értek el az ideális egy-fotonforrások kialakítása felé, amelyek közel 100%-os egy-fotontisztaságot és foton azonosságot mutatnak. Az emissziós-alapú egyetlen-fotonforrások azonban továbbra is korlátokkal szembesülnek: az exciton élettartamának kétszeresére korlátozva az első-rendű koherencia idejük rendkívül rövid (csak tíz-száz pikoszekundum), és a fotonok azonossága érzékeny a töltészaj és a spinzaj miatti romlásra. A kvantuminternet jövőbeli fejlesztése a két-foton vagy egy-foton interferencián alapuló koherens kvantumkommunikációra támaszkodik, amely egy-fotonforrást igényel, kiváló koherenciával és robusztus foton-azonossággal. Az emissziós-alapú egy-fotonforrások jelenleg nehezen teljesítik ezeket a követelményeket. Bár a lézerek eredendően kiemelkedő koherenciával rendelkeznek, lineáris optikai elemekkel nem csillapíthatók közvetlenül egyetlen foton állapotba.
E kihívások megoldása érdekében a kutatócsoport együttműködött a Kínai Tudományos Akadémia Félvezető Intézetével, és egy harmadik módszert javasolt és valósított meg az egy-fotonforrás előkészítésére: a lézerkonverziós-alapú egyetlen-fotonforrást (LCSPS). A hagyományos egy-oldalas optikai mikroüreges szerkezetekkel ellentétben, amelyeket általában az emissziós-típusú egy-fotonforrásokban használnak, a csapat szimmetrikus, kétoldalas-optikai mikroüreget tervezett [lásd az 1(a) ábrát]. Ez a szerkezet hatékonyan elnyomja a lézerszóródást az üregben anélkül, hogy ortogonális polarizációs szűrőkre támaszkodna. A kvantumpont{11}}mikrokavitációs csatolórendszeren belüli visszaverődés után a lézer közvetlenül egyetlen fotonná alakul [lásd az 1(a) ábrát], amely a következő kiemelkedő tulajdonságokkal rendelkezik: ultra-hosszú koherenciaidő [258±2 μs, lásd: {{16}(b) ábra, indist.], robusztus fotó [0.9%, lásd 3. ábra. 2(c)], és tökéletes egyetlen-fotontisztaság [g(2)(0)=0.030±0,002, lásd:. 1(e)]. Minden adat nyers mérési eredményt jelent.
A lézeres-konvertált egyetlen-fotonforrás működési elve minőségileg megmagyarázható az egyes kvantumpontok telített nemlinearitása és egyetlen-fotonkapcsolási hatása alapján: Ha egyetlen foton kölcsönhatásba lép a kvantumponttal, és visszaverődik tőle, a következő beeső fotonok az exciton-kvantum idejű telítettségi állapotba kerülve továbbítják. Ez a folyamat hatására a visszavert fény anti-koherenciát mutat, egyetlen fotonjellemzőket{5}}, míg az áteresztett fény koherenciahatásokat mutat, amelyek több-foton tulajdonságokkal rendelkeznek. A mögöttes mély fizikai mechanizmus a koherens állapotok (azaz lézer) és a több{10}}foton állapotok közötti kvantuminterferenciából ered. Ez az interferenciafolyamat hatékonyan elnyomja annak valószínűségét, hogy a több{12}}foton komponensek megjelenjenek a visszavert fénymezőben, és a visszavert lézerfénymezőt egyetlen fotonokká alakítják át.
A lézerek első-rendű koherenciáját és robusztus foton-azonosságát örökölve a lézer-konvertált egy-fotonforrások széles körben alkalmazhatók különféle interferencia-alapú kvantumkommunikációs protokollokban, egy-foton fázisú-tömbös kvantumforrású radarokban és zárolt{5}}modell{6}. Ígéretesnek számítanak a jövőbeni kvantuminternet szabványos kvantumfényforrásaként.
1. ábra
(a) A lézer{0}}konvertált egyetlen-fotonforrás felépítésének és működési elvének vázlata; (b) Az eszköz pásztázó elektronmikroszkópos képe; (c) Koherens reflexiós spektrumok különböző meghajtási intenzitásoknál, 50:1 egy-fotonkapcsolási arányt demonstrálva; (d) a visszavert fénytér másodrendű korrelációs függvényének g(2)(0) nulla értéke a lézeres detuning függvényében; (e) A visszavert fénymező g(2)(t) másodrendű korrelációs függvénye alacsony meghajtási intenzitás mellett.
2. ábra (a) A Mach-Zehnder interferometriával jellemzett egyetlen-fotonforrás első-rendű koherenciája; (b) Annak bemutatása, hogy a lézeres-konverziós-típusú egyetlen-fotonforrás koherencia-ideje megegyezik a meghajtó lézerrel, amit késleltetett heterodin interferometriával és idő-felbontású koincidencia mérésekkel érnek el; (c) Két-foton interferencia láthatóságának alakulása emissziós időkülönbséggel, bizonyítva a forrás robusztus fotonhomogenitását.
A cikk első szerzői Wang Mannan és Li Yanfeng, a Kvantuminformációs Intézet doktoranduszai, valamint a megfelelő szerző, Hu Chengyong, az intézet kutatója. A társszerzők közé tartozik Zeng Chuanyu, az Institute of Quantum Information doktorandusza; Huang Guoqi, a Pekingi Postai és Távközlési Egyetem doktorandusza; Liu Li, Wang Wenyan és Ji Weijie mérnökei a Kvantuminformációs Intézettől; valamint Liu Hanqing posztdoktori kutató, Ni Haiqiao és Niu Zhichuan kutatók a Kínai Tudományos Akadémia Félvezető Intézetéből. Ezt a munkát a Pekingi Természettudományi Alapítvány és a Kínai Nemzeti Kulcsfontosságú K+F Program támogatta.
