中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、霍永恒等和中山大學余思遠小組、國家納米科學中心戴慶小組、德國維爾茲堡大學Hofling小組以及丹麥科技大學Gregersen等合作，在國際上首次提出橢圓微腔耦合實現(xiàn)確定性偏振單光子的理論方案，并在窄帶和寬帶兩種微腔上成功實驗實現(xiàn)了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學量子計算特別是超越經(jīng)典計算能力的量子霸權的實現(xiàn)奠定了堅實的科學基礎。論文以長文形式于近日在國際權威學術期刊《自然·光子學》上在線發(fā)表。

單光子源是光學量子信息技術的核心資源。一個完美的單光子源需要同時滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率這四個幾乎相互矛盾的嚴苛條件。2000年，美國加州大學研究組在量子點體系觀測到單光子反聚束。2002年，斯坦福大學研究組觀測到雙光子干涉。隨后，法國科學研究中心、斯坦福大學、東京大學、維爾茲堡大學、蘇黎世理工學院等研究組演示了單量子點和各種微納光子結構的耦合。然而，這些技術制備的單光子品質(zhì)差，無法在實用化量子技術中應用。

2013年，潘建偉、陸朝陽等在國際上首創(chuàng)量子點脈沖共振激發(fā)技術，從根本上消除了量子點激子的消相干效應，解決了單光子源的確定性產(chǎn)生和高品質(zhì)這兩個基本問題。這個技術只需要相比之前萬分之一的激發(fā)功率即可確定地產(chǎn)生99.5%品質(zhì)的單光子，因而很快成為國際上公認的制備高質(zhì)量單光子源的最佳利器，激發(fā)了學術界在單光子研究方向的新熱潮。為了提高熒光提取效率，2016年，中國科大研究組結合高精度分子束外延、納米刻蝕和共振激發(fā)，實現(xiàn)了單量子點精確耦合的高品質(zhì)因子諧振腔，產(chǎn)生了當時國際上綜合性能最優(yōu)的單光子源，并初步應用于構建超越早期經(jīng)典計算能力的針對波色取樣問題的光量子計算原型機。中國科大研究組從2013年起一直引領高性能單光子源的發(fā)展。然而，要實現(xiàn)完美的單光子源，還存在著兩個懸而未決的難題：一、量子點會隨機發(fā)射兩種偏振的光子，二、共振激發(fā)需要消除背景激光。這兩個難題使得現(xiàn)有的單光子源必須在高品質(zhì)和高效率之間做權衡，成為多年來難以逾越的障礙。

解決這兩個關鍵問題需要理論和實驗的同步創(chuàng)新。在理論上，中國科大研究組提出采用橢圓微腔打破對稱性的方案，使腔模劈裂成兩個非簡并的垂直偏振的模式，從而選擇性地增強單一偏振的單光子。在實驗上，研究組發(fā)展了垂直偏振無損消光技術，從而同時解決了上述的兩個難題，達到了一石二鳥的效果。在此基礎上，研究組分別在窄帶微柱和寬帶靶眼微腔中，實驗制備同時滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，再次刷新了單光子源綜合性能的國際記錄，為量子霸權目標的實現(xiàn)邁進了重要一步。這項成果標志著我國在可擴展光學量子信息技術方面在國際上進一步擴大領跑的優(yōu)勢。

圖2 基于量子點的單光子源的兩個核心指標的綜合性能國際發(fā)展總結

審稿人評價該工作“解決了一個長期存在的挑戰(zhàn)”（a long standing challenge in the scientific community to develop the ideal single-photon source），“顯然是一個高技術成就”（certainly a technological achievement of high order），“是巨大的一步”（excellent news for the photonic quantum engineering community, since this is a huge step forward），“將有力地推進研究”（important in the field of quantum nanophotonics and can strongly advance studies）。

該研究工作得到了自然科學基金委、中科院、科技部、教育部、安徽省、上海市科委等的支持。

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