中國科大潘建偉團隊首次實現(xiàn)國際最優(yōu)單光子源

中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽等近期在國際上首次實現(xiàn)基于半導體量子點的高效率和高全同性的單光子源，綜合性能達到國際最優(yōu)，為實現(xiàn)基于固態(tài)體系的大規(guī)模光子糾纏和量子信息技術(shù)奠定了科學基礎。國際權(quán)威學術(shù)期刊《物理評論快報》、《自然》日前介紹了該項成果。

據(jù)介紹，量子點是通過分子束外延方法制備的半導體量子器件，又被稱為“人造原子”，原理上可以為量子信息技術(shù)提供理想的單光子源。為了能夠真正用于可擴展、實用化的量子信息技術(shù)，單光子器件必須同時滿足三個核心性能指標：單光子性、高全同性和高提取效率。盡管從2000年開始，國際上許多研究機構(gòu)對量子點光學調(diào)控進行了深入探索，然而這三個核心指標一直無法得到同時滿足，因而成為固態(tài)量子光學領(lǐng)域15年來懸而未決的重大挑戰(zhàn)。

2013年，潘建偉、陸朝陽等首創(chuàng)量子點脈沖共振激發(fā)，實現(xiàn)了當時國際上全同性最好的單光子源，但由于量子點平面腔結(jié)構(gòu)的限制，之前的實驗中熒光收集效率較低。為了大幅提高熒光提取效率，近期他們通過高精度分子束外延生長與納米刻蝕工藝結(jié)合，獲得了低溫下與量子點單光子頻率共振的高品質(zhì)因子光學諧振腔。結(jié)果顯示，實驗產(chǎn)生的單光子源提取效率達到66％，單光子性優(yōu)于99．1％，全同性優(yōu)于98．6％，在國際上首次同時解決了單光子源的三個關(guān)鍵問題，成為目前國際上綜合性能最優(yōu)秀的單光子源。

據(jù)了解，該實驗實現(xiàn)的量子點單光子源亮度比國際上最好的基于參量下轉(zhuǎn)換的觸發(fā)式單光子提高了10倍，同時具有接近完美的全同性，而且所需激光泵浦功耗降低1千萬倍（納瓦量級），可在將來應用于大規(guī)模光子糾纏，進一步推動多光子糾纏與干涉度量學的發(fā)展。

國際權(quán)威學術(shù)期刊《物理評論快報》1月15日以“編輯推薦”的形式發(fā)表了該項研究成果，并在美國物理學會的《物理》網(wǎng)站專門撰文介紹。英國《自然》雜志也在最近一期的“研究亮點”欄目以“可實用化的單光子源”為題對此做了專門報道。