Нещодавно група квантових обчислень на основі квантових точок під керівництвом Ху Ченгьона з Пекінської академії квантової інформаційної науки (далі – Академія) створила нове квантове джерело світла-лазер-перетворене одно-фотонне джерело-за допомогою насиченого нелінійного ефекту та одно-ефекту перемикання фотона одиничних квантових точок. Це джерело демонструє наддовгий час когерентності (258±2 мікросекунди) і надійну однорідність фотонів, причому продуктивність одного-фотона досягає оптимального рівня звичайних одно-фотонних джерел-на основі спонтанного випромінювання. Він є перспективним стандартним квантовим джерелом світла для квантових інтернет-додатків. 18 листопада 2025 року результати дослідження були опубліковані в Optica під назвою «Перетворення лазерного світла в окремі фотони з наддовгим часом когерентності».
Фотони служать ідеальними носіями для передачі квантової інформації та ключовими транспортними засобами для обробки квантової інформації. Джерела одного-фотона утворюють основні компоненти квантових технологій, таких як оптичні квантові обчислення, розподілені квантові обчислення, квантовий зв’язок і вимірювання квантової точності. Наразі підготовка однофотонного джерела переважно базується на двох технічних підходах: один — імовірнісні методи, засновані на спонтанному параметричному-перетворенні (SPDC) або спонтанному чотири-хвильовому змішуванні (SFWM); інші — це детерміновані методи, засновані на спонтанному випромінюванні з окремих-квантових систем, таких як холодні атоми, іонні пастки, квантові точки або центри кольору. За останні роки джерела одиночних-фотонів із квантовою точкою випромінювання-типу досягли значного прогресу на шляху до створення ідеальних джерел-фотонів, які демонструють майже 100% чистоту-фотонів та ідентичність фотонів. Однак джерела-окремих-фотонів на основі випромінювання все ще стикаються з обмеженнями: вони обмежені подвійним часом життя екситона, їхній-час когерентності першого порядку є надзвичайно коротким (лише від десятків до сотень пікосекунд), а ідентичність фотонів чутлива до деградації через шум заряду та спіновий шум. Майбутній розвиток квантового Інтернету спирається на когерентний квантовий зв’язок на основі дво-фотонної або одно-фотонної інтерференції, вимагаючи одно-джерел фотонів із чудовою когерентністю та надійною ідентифікацією фотонів. Випромінювання-окремих-фотонних джерел зараз важко повністю відповідати цим вимогам. Хоча лазери за своєю природою мають виняткову когерентність, їх неможливо безпосередньо ослабити до одно-фотонних станів за допомогою лінійних оптичних елементів.
Щоб вирішити ці проблеми, дослідницька група співпрацювала з Інститутом напівпровідників Академії наук Китаю, запропонувавши та реалізувавши третій метод підготовки одно-джерела фотонів: джерело-один-фотонів на основі лазерного перетворення (LCSPS). На відміну від традиційних односторонніх-структур оптичних мікропорожнин, які зазвичай використовуються в емісійних-типах одно{6}}фотонних джерел, команда розробила симетричну двосторонню-оптичну мікропорожнину [див. Малюнок 1(a)]. Ця структура ефективно пригнічує лазерне розсіювання всередині резонатора, не покладаючись на ортогональні поляризаційні фільтри. Після відбиття в системі зв’язку з мікропорожнинами квантових точок-лазер безпосередньо перетворюється на один фотон [див. рис. 1(a)], демонструючи такі видатні властивості: над-тривалий час когерентності [258±2 мкс, див. рис.. 2(b)], надійну нерозрізнення фотонів [94,3±0,2%, див. Рис. 2(c)] і ідеальна чистота одного-фотона [g(2)(0)=0.030±0,002, див. Рис. 1(e)]. Усі дані представляють необроблені результати вимірювань.
Принцип роботи лазерно{0}}перетвореного джерела один-фотонів можна якісно пояснити на основі насиченої нелінійності та ефектів перемикання одиночних-фотонів одиничних квантових точок: коли один фотон взаємодіє з квантовою точкою та відбивається нею, наступні падаючі фотони передаються протягом часу існування екситона через те, що квантова точка входить у насичену стан. Цей процес змушує відбите світло виявляти анти-когерентну поведінку, демонструючи одно-фотонні характеристики, тоді як пропущене світло виявляє ефекти когерентності, маючи багато-фотонні властивості. Глибокий фізичний механізм, що лежить в основі, походить від квантової інтерференції між когерентними станами (тобто лазером) і багато{10}}фотонними станами. Цей процес інтерференції ефективно пригнічує ймовірність появи багато{12}}фотонних компонентів у відбитому світловому полі, перетворюючи відбите лазерне світлове поле в окремі фотони.
Успадковуючи когерентність першого{0}}порядку та надійну фотонну ідентичність лазерів, лазерно{1}}перетворені джерела одиночних-фотонів можуть широко застосовуватися в різноманітних протоколах квантового зв’язку-на основі інтерференції, квантових радарах із-фотонною-матрицею та-блокованим режимом одиночних-фотонів джерела. Вони обіцяють стати стандартним квантовим джерелом світла для майбутнього квантового Інтернету.
малюнок 1
(a) Схема структури та принципу роботи лазерного-перетвореного одно-фотонного джерела; (b) Зображення пристрою скануючим електронним мікроскопом; (c) Спектри когерентного відбиття при різних інтенсивностях приводу, демонструючи коефіцієнт перемикання одного-фотона 50:1; (d) Нульове значення g(2)(0) кореляційної функції другого-порядку відбитого світлового поля як функції лазерного розстроювання; (e) Кореляційна функція другого -порядку g(2)(t) поля відбитого світла при низькій інтенсивності приводу.
Рисунок 2 (a) Когерентність першого-порядку джерела одиночного-фотона, що характеризується інтерферометрією Маха-Цендера; (b) Демонстрація того, що джерело одного-фотона лазерного{4}}конверсійного-типу має той самий час когерентності, що й рушійний лазер, що досягається за допомогою інтерферометрії із затримкою гетеродина та вимірювань-збігу з роздільною здатністю часу; (c) Еволюція видимості дво-фотонної інтерференції з різницею в часі випромінювання, що доводить надійну однорідність фотонів джерела.
Першими авторами цієї статті є Ван Маннан і Лі Яньфен, докторанти Інституту квантової інформації, а автором-кореспондентом є Ху Ченгьон, дослідник того ж інституту. Спів-автори включають Цзен Чуанью, докторанта Інституту квантової інформації; Хуан Гоці, докторант Пекінського університету пошти та телекомунікацій; інженери Лю Лі, Ван Веньянь і Цзі Вейцзе з Інституту квантової інформації; а також докторант Лю Ханьцін, дослідники Ні Хайцяо та Ніу Чжичуань з Інституту напівпровідників Китайської академії наук. Ця робота була підтримана Пекінським фондом природничих наук і Національною ключовою програмою досліджень і розробок Китаю.
