【儀表網 研發快訊】近日，物理學院陳學文教授團隊在芯片集成量子光源方面取得重要進展，實現了全同單光子源的可控片上集成，實驗展示了片上獨立單光子源間的全同光子量子干涉，干涉可見度達0.97，并觀察到100微秒量級的長時間量子拍現象。2025年11月5日，該成果以“On-chip Quantum Interference of Indistinguishable Single Photons from Integrated Independent Molecules”為題在線發表在《自然·納米技術》。
光量子技術是實現量子通信、量子模擬和通用量子計算的重要平臺。全同單光子是光量子技術的重要物理資源。將多個獨立且全同的單光子通道集成到片上，是實現可擴展光量子信息處理的關鍵。然而在實驗層面，這一目標的實現面臨三大核心挑戰：其一，獨立單光子源所處的局域納米環境不相同，導致躍遷頻率存在差異，即非均勻展開；其二，局域電荷環境的波動會引發發射頻率的隨機抖動與漂移，微納加工過程更會加劇材料表面附近的電荷噪聲，從而惡化光譜穩定性；其三，單量子體系在集成過程中偶極取向隨機，難以實現可控耦合。
針對上述關鍵瓶頸，陳學文、唐建偉教授領導的團隊聯合浙江大學時堯成教授團隊提出并實現了一種“分子摻雜有機微納晶片 + 氮化硅光子線路 + 片上金屬微電極”的混合集成方案(圖1)。在該架構中，摻雜DBT(7,8:15,16-dibenzoterrylene)分子的蒽微納晶片以相對可控的位置和偶極取向集成至氮化硅光子芯片之上；同時，通過片上微電極施加外加電場，利用斯塔克效應實現對分子躍遷頻率的精密調諧，最終成功實現了高穩定性、可控的獨立全同單光子源片上集成，有效突破了上述三大實驗挑戰。
圖1. 混合集成光量子芯片。a. 光量子芯片實物照片；b. 光量子芯片上集成24個雙光子量子干涉器件(光學顯微照片)；c. 一個雙光子量子干涉器件由分子摻雜的單晶微納晶片、氮化硅光子元件(波導W1,2,3,4、2×2多模干涉儀和光柵耦合器和金屬微電極的混合集成；d. 波導W1和W2(兩側有金電極)、多模干涉儀以及其中一個光柵耦合器的SEM圖像；e.DBT分子結構及其能級示意圖；f. 片上雙光子量子干涉實驗示意圖。
合作團隊通過上述有機-無機混合集成方案，一方面保障了分子所處的純凈固態環境，有效抑制了分子頻率的抖動漂移；另一方面借助斯塔克效應，對兩個獨立波導上的單分子單光子源分別實施精確調控，成功消除了不同分子間的躍遷頻率差異；同時利用片上單模光路極高的模式匹配度，確保了光子干涉效率。最終成功實現了獨立單分子單光子源間的全同雙光子量子干涉，干涉可見度高達0.97，在已報道的獨立單量子體系單光子源全同光子量子干涉實驗中，創下了目前最高的干涉可見度紀錄(圖2)。
圖2.高可見度的片上全同光子量子干涉。a.片上同頻分子間雙光子量子干涉實驗示意圖；b. 借助斯塔克效應將兩個分子的躍遷頻率精細調諧一致；c.兩個分子的共振熒光光譜重疊；d-f. 當兩個分子頻率一致時，不用激發水平下(S= 2, 4, 9)的二階互相關函數g(2)HOM(τ)；g.當M1和M2具有3.8 GHz大頻差時的二階互相關函數g(2)HOM, d(τ)；h.干涉可見度V(τ)與理論可見度曲線的比較。
該團隊還通過主動引入并精準調控獨立單光子源間的躍遷頻率差，使其穩定在200 MHz，觀測到雙光子量子干涉的二階互相關函數中呈現周期為5 ns的量子拍。該量子拍的持續時間可達100μs量級，是分子激發態壽命的2萬倍以上(圖3)。這一現象揭示了發射光子的超長相干性(波動性)與高單光子純度(粒子性)，為光量子技術應用拓展了新方向。
圖3.片上量子干涉拍。a.片上失諧分子間雙光子量子干涉實驗示意圖；b. 當分子M1和M2被兩束激光同時共振激發時，發射光譜測量顯示兩個分子頻率相差200MHz；c.弱激發下(S= 0.2)的二階互相關函數；d. 100微秒長時延附近的二階互相關函數；e-h.不同激發水平下(S= 0.5、1、3和9)的二階互相關函數。
該項研究突破了集成量子光子學中長期存在的關鍵障礙，實現了芯片上獨立單光子源間的高可見度量子干涉，為未來基于片上集成單光子源的量子邏輯運算奠定了基礎。這一成果不僅是構建大規模光量子處理器的重要一步，也為量子光學和波導量子電動力學研究提供了穩定可靠的實用平臺。
我校物理學院博士生黃泰臨、許淼淼、金偉、池軼瑄和浙江大學光電學院劉衛喜博士為論文共同第一作者；物理學院博士任鵬龍、韋尚明以及博士生白正萱作出重要貢獻；陳學文、唐建偉和浙江大學光電學院時堯成教授為論文的共同通訊作者；我校為第一通訊單位。
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