新研究實現保真度創記錄的微納量子糾纏光源
7月9日，《自然》在線刊發了中山大學教授王雪華/劉進團隊同合作者最新研究成果。他們創新性地提出腔誘導的自發雙光子輻射方案，首次實現與單光子輻射強度相當的自發雙光子輻射，并成功研發出保真度高達0.994的按需觸發式新型微納量子糾纏光源。
傳統非線性自發參量下轉換過程制備的糾纏光源，在量子力學驗證、量子計算、通信和精密測量中發揮關鍵作用，但受限于概率性光子產生機制，存在性能瓶頸。自發雙光子輻射作為另一種量子效應，雖早在20世紀60年代被提出，但因其本質效率遠低于單光子輻射，實驗實現長期面臨挑戰。
王雪華團隊成員合影。團隊負責人王雪華（第二排左六），論文通訊作者劉進（第二排左七），論文第一作者劉順發（第三排左七）。研究團隊供圖，下同
“近40年來，盡管國際上眾多研究團隊進行了多種實驗嘗試，該領域仍未能取得實質性突破。”論文第一作者、中山大學副教授劉順發表示，近年來，半導體材料與器件加工技術的突破為自發雙光子輻射實驗提供了契機，但此前受限于量子輻射子退相干及光學操控手段，其量子特性未得到充分驗證。
王雪華/劉進團隊長期致力于光子輻射微納調控及集成光量子器件研究。在國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目的資助下，經過近6年的努力，團隊自主研發出多項核心技術，成功攻克高品質微腔制備、微腔與單量子輻射子高精度對準及量子輻射子相干操控等難題。同時，與中國科學院半導體研究所研究員牛智川團隊、中山大學教授喻穎團隊合作，研發出高品質量子點納米精度外延生長工藝。
論文通訊作者劉進對《中國科學報》表示，其團隊瞄準雙光子輻射高效操控及確定性、高保真度糾纏光源制備這一國際前沿挑戰，提出腔誘導的自發雙光子輻射方案，利用超高品質光學微腔對光子產生過程進行微納尺度精細調控，突破傳統認知，首次實現與單光子輻射強度相當的自發雙光子輻射，并揭示其量子關聯特性，獲得超高歸一化雙光子符合強度。同時首創量子點級聯共振泵浦方案，制備出糾纏保真度創紀錄的按需觸發式新型糾纏光子對源。這為后續構建可擴展、高容錯率的集成光量子信息處理芯片提供了關鍵量子資源。
自發雙光子輻射（a）雙光子糾纏概念圖；（b）腔誘導的自發雙光子輻射光譜；（c）自發雙光子輻射的量子關聯特性。
據介紹，該研究工作面臨兩個關鍵挑戰，首先，需要將位置隨機分布的納米尺寸固態人造原子以小于50納米的偏差裝配到微米直徑微腔的指定位置，且微腔頻率與雙光子輻射通道的頻率偏差小于1GHz；其次，還需要對固態人造原子進行相干的光學操控，確定性制備原子激發態，像“光子節拍器”一般讓光子輻射保持同步。
《自然》雜志審稿人高度評價該工作，稱其為“雙光子研究領域的突破性進展”，并實現了“保真度創紀錄的糾纏光子對”。
該研究工作為高保真度糾纏光源和高純度雙光子態的制備開辟了新的道路，為理解單光子水平的光與物質非線性相互作用新物理提供了新的思路，為探索更高階的量子輻射效應提供了可靠平臺，將助力于發展新一代量子精密測量技術、構建可擴展的光量子信息處理芯片。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09267-6
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