【儀表網 研發快訊】近日，北京量子信息科學研究院(以下簡稱“量子院”)量子點量子計算胡承勇團隊利用單量子點的飽和非線性效應和單光子開關效應實現新型量子光源——激光轉換型單光子源, 具有超長相干時間(258±2微秒)和魯棒的光子全同性，其單光子性能達到常規的自發輻射型單光子源的最優水準，有望成為量子互聯網的標準量子光源。2025年11月18日，相關研究成果以 “將激光轉換為具有超長相干時間的單光子” (Converting laser light into single photons with ultralong coherence time)為題發表在Optica上。
光子是量子信息傳輸的理想載體以及量子信息處理的重要載體，單光子源是光量子計算、分布式量子計算、量子通信、量子精密測量等量子技術的核心組成部分。目前，單光子源的制備主要依賴兩種技術路徑：一種是基于自發參量下轉換(SPDC)或自發四波混頻(SFWM)的概率性方法；另一種則是基于單量子體系自發輻射的確定性方法，如冷原子、離子阱、量子點或色心等系統。近年來，發射型量子點單光子源在實現理想單光子源方面取得了顯著進展，表現出接近100%的單光子純度與光子全同性。然而，發射型單光子源仍存在一定局限性：受限于激子壽命的兩倍，其一階相干時間極短(僅為幾十至數百皮秒)，且光子全同性易受電荷噪聲和自旋噪聲的影響而退化。未來，量子互聯網的發展將依賴于基于雙光子干涉或單光子干涉的相干量子通信，要求單光子源具備良好的相干性與魯棒的光子全同性。發射型單光子源在當前階段尚難以完全滿足這一需求。盡管激光本身具有優異的相干性，卻無法通過線性光學元件直接衰減為單光子態。
針對以上問題，研究團隊與中國科學院半導體所合作，提出并實現第三種單光子源的制備方法——激光轉換型單光子源(LCSPS)。區別于常用于發射型單光子源的傳統單邊光學微腔結構，研究團隊設計了一種對稱的雙邊光學微腔[見圖1(a)]，該結構無需依賴正交偏振濾波即可有效抑制激光受腔的散射。激光在經過量子點微腔耦合系統反射后，被直接轉換為單光子[見圖1(a)]，并展現出以下優異性能：超長相干時間 [258±2微秒, 見圖2(b)] 、魯棒的光子全同性[94.3±0.2%，見圖2(c)], 以及完美的單光子純度[g(2)(0)=0.030±0.002，見圖1(e)]。以上數據均為原始測量結果。
激光轉換型單光子源的工作原理可基于單量子點的飽和非線性效應與單光子開關效應進行定性解釋：當單個光子與量子點相互作用而被反射后，在激子壽命的時間尺度內，后續入射光子會因量子點進入飽和狀態而發生透射。這一過程使得反射光表現出反群聚行為，呈現單光子特性；而透射光則呈現群聚效應，具備多光子特性。其背后的深層物理機制源于相干態(即激光)與多光子態之間的量子干涉。該干涉過程有效抑制了反射光場中多光子成分的出現概率，將反射的激光光場變成單光子。
由于繼承了激光的一級相干性與魯棒的光子全同性，激光轉換型單光子源可廣泛應用于基于干涉的多種量子通信協議、單光子相控陣量子雷達及鎖模單光子源等新型量子技術，有望成為未來量子互聯網的標準量子光源。
圖1 (a)激光轉換型單光子源的結構與工作原理示意圖；(b)器件的掃描電子顯微鏡圖像;(c)不同驅動強度下的相干反射光譜，表現出50:1的單光子開關比;(d)反射光場的二階相關函數零點值g(2)(0) 隨激光失諧的變化;(e)低驅動強度下反射光場的二階相關函數g(2)(t)。
圖2 (a)通過Mach-Zehnder干涉儀表征的單光子源一階相干性；(b)利用延遲自外差干涉與時間分辨符合測量，論證了激光轉換型單光子源與驅動激光共享相同的相干時間；(c)雙光子干涉可見度隨發射時間差的演化，證明了該光源具有魯棒的光子全同性。
該論文第一作者為量子院博士生王曼曼和李彥峰，通訊作者為量子院胡承勇研究員，論文合作者還包括量子院博士生曾傳渝，北京郵電大學博士生黃國奇，量子院工程師劉麗、王文彥和冀偉杰， 中國科學院半導體所劉汗青博士后、倪海橋研究員和牛智川研究員。該工作獲得了北京市自然科學基金和國家重點研發計劃項目的支持。
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