中国科学家研发出纳米“双光子工厂”，量子纠缠光源保真度 99.4%

7月11日消息，在量子世界里，一对光子能像心灵感应的双胞胎——即使相隔万里，测量其中一个，另一个瞬间“回应”。这种神奇的量子纠缠，在量子计算、量子通信和量子精密测量等多个领域发挥着至关重要的作用。中山大学物理学院王雪华、刘进教授团队提出了一种全新的腔诱导自发双光子辐射方案，在国际上率先实现与单光子辐射强度相当的自发双光子辐射，研发出保真度高达99.4%的按需触发式新型微纳量子纠缠光源。
相关成果已于7月9日在线发表于《自然》杂志，为新一代量子精密测量技术的发展，以及功能化光量子信息处理芯片的构建提供了关键支撑。相较于让光子随机“结对子”，中大团队选择直接培育光子“双胞胎”，让它们自诞生时便具备“量子羁绊”，实现量子纠缠。“某些特殊材料，比如我们采用的‘人造原子’结构，有概率在同一时刻发射两个紧密关联的光子，这种现象被称为‘自发双光子辐射’。”论文第一作者、中山大学物理学院副教授刘顺发解释道。尽管在20世纪60年代，研究人员就已提出相关的理论预言，但由于原子总是倾向于一次只辐射一个光子，“双胞胎”光子的产生概率通常远远低于单光子产生概率，实验上几乎无法观测。近40年来，尽管国际上众多研究团队进行了多种实验尝试，该领域仍未能取得实质性突破。

论文第一作者刘顺发副教授开展量子光学测量实验

如今，半导体的材料生长与器件加工技术的突破为自发双光子辐射的实验实现提供了关键支持。“我们设计了超高品质的光学微腔，并在微纳尺度上精细调控光子的产生过程。”刘顺发说，这种光学微腔为“双胞胎”光子的产生搭建了专属通道，在实验中将双光子的辐射效率从小于0.1%提升到了约50%，从而使制备可控触发的纠缠光子对源成为可能。“我们就像在纳米尺度上打造了一个专门生产纠缠光子的工厂。”刘顺发表示。该研究基于纳米尺寸的固态“人造原子”结构，提出了一种腔诱导的自发双光子辐射方案，在国际上率先实现了与单光子辐射强度相当的自发双光子辐射，突破了“光子辐射的二阶量子过程必然远弱于一阶过程”的传统认知，成功制备出保真度高达99.4%的按需触发式新型纠缠光子对源。“这一指标意味着我们的纠缠光子‘心灵感应’的强度极高，也显示出这项技术在提升量子通信安全性、量子计算可靠性、量子计量精度等方面的巨大潜力。”

自发双光子辐射。（a）双光子纠缠概念图；（b）腔诱导的自发双光子辐射光谱；（c）自发双光子辐射的量子关联特性。

《自然》杂志审稿人高度评价这一成果，认为其是“双光子研究领域的突破性进展”“实现了保真度创纪录的纠缠光子对”。附论文地址：