Nedavno je tim za kvantno računalstvo s kvantnom točkom predvođen Hu Chengyongom na Akademiji za kvantnu informacijsku znanost u Pekingu (u daljnjem tekstu "Akademija") ostvario novi kvantni izvor svjetlosti-laser-pretvoreni izvor jednog-fotona-koristeći zasićeni nelinearni učinak i učinak prebacivanja jednog-fotona pojedinačnih kvantnih točaka. Ovaj izvor pokazuje ultradugo vrijeme koherencije (258±2 mikrosekunde) i robusnu homogenost fotona, s performansama jednog-fotona koji dostižu optimalnu razinu konvencionalnih izvora-fotona koji se temelje na spontanoj emisiji-. Obećava kao standardni kvantni izvor svjetlosti za kvantne internetske aplikacije. 18. studenog 2025. rezultati istraživanja objavljeni su u Optici pod naslovom "Pretvaranje laserske svjetlosti u pojedinačne fotone s ultradugim vremenom koherencije."
Fotoni služe kao idealni prijenosnici za kvantni prijenos informacija i ključni prijenosnici za kvantnu obradu informacija. Izvori jednog-fotona čine temeljne komponente kvantnih tehnologija kao što su optičko kvantno računanje, distribuirano kvantno računanje, kvantna komunikacija i mjerenje kvantne preciznosti. Trenutačno se priprema jednog-fotonskog izvora prvenstveno oslanja na dva tehnička pristupa: jedan su probabilističke metode temeljene na spontanoj parametarskoj-pretvorbi prema dolje (SPDC) ili spontanom četiri-valnom miješanju (SFWM); druga su determinističke metode temeljene na spontanoj emisiji iz pojedinačnih-kvantnih sustava, kao što su hladni atomi, ionske zamke, kvantne točke ili centri boja. Posljednjih godina, izvori jednog-fotona s kvantnom točkom emisije-tipa značajno su napredovali prema postizanju idealnih izvora-fotona, pokazujući gotovo 100% čistoću-fotona i identitet fotona. Međutim, jedno-fotonski izvori-temeljeni na emisiji još uvijek se suočavaju s ograničenjima: ograničeni dvostrukim životnim vijekom ekscitona, njihovo-vrijeme koherencije prvog reda iznimno je kratko (samo deseci do stotine pikosekundi), a identitet fotona podložan je degradaciji zbog buke naboja i vrtnje. Budući razvoj kvantnog interneta oslanja se na koherentnu kvantnu komunikaciju koja se temelji na interferenciji dva-fotona ili jednog-fotona, zahtijevajući izvore jednog-fotona s izvrsnom koherencijom i robusnim identitetom fotona. Jedno-fotonski izvori-temeljeni na emisiji trenutno se bore da u potpunosti zadovolje ove zahtjeve. Iako laseri sami po sebi posjeduju izvanrednu koherenciju, ne mogu se izravno prigušiti do stanja jednog-fotona pomoću linearnih optičkih elemenata.
Kako bi riješio te izazove, istraživački tim surađivao je s Institutom za poluvodiče Kineske akademije znanosti, predlažući i realizirajući treću metodu za pripremu izvora jednog-fotona: izvor-zasnovan na laserskoj konverziji jednog-fotonskog izvora (LCSPS). Za razliku od tradicionalnih jednostranih-struktura optičkih mikrošupljina koje se obično koriste u emisijskim-izvorima jedno-fotona, tim je dizajnirao simetričnu dvostranu-optičku mikrošupljinu [vidi sliku 1(a)]. Ova struktura učinkovito suzbija raspršenje lasera unutar šupljine bez oslanjanja na ortogonalne polarizacijske filtre. Nakon refleksije unutar sustava spajanja mikrošupljine s kvantnom točkom-, laser se izravno pretvara u jedan foton [vidi sliku 1(a)], pokazujući sljedeća izvanredna svojstva: ultra-dugo vrijeme koherencije [258±2 μs, vidi sliku. 2(b)], robusnu nerazlučivost fotona [94,3±0,2%, vidi Slika. 2(c)] i savršena čistoća jednog-fotona [g(2)(0)=0.030±0,002, vidi sliku. 1(e)]. Svi podaci predstavljaju neobrađene rezultate mjerenja.
Princip rada laser{0}}pretvorenog izvora jednog-fotona može se kvalitativno objasniti na temelju zasićene nelinearnosti i učinaka prebacivanja jednog-fotona pojedinačnih kvantnih točaka: kada jedan foton stupi u interakciju s kvantnom točkom i reflektira se od nje, naknadni upadni fotoni prenose se unutar životnog vijeka ekscitona zbog ulaska kvantne točke u zasićeni država. Ovaj proces uzrokuje da reflektirana svjetlost pokazuje anti-koherencijsko ponašanje, prikazujući karakteristike jednog-fotona, dok propuštena svjetlost pokazuje efekte koherencije, posjedujući svojstva više-fotona. Temeljni duboki fizički mehanizam proizlazi iz kvantne interferencije između koherentnih stanja (tj. lasera) i multi{10}}fotonskih stanja. Ovaj proces interferencije učinkovito suzbija vjerojatnost pojavljivanja više-fotonskih komponenti u reflektiranom svjetlosnom polju, pretvarajući reflektirano lasersko svjetlosno polje u pojedinačne fotone.
Nasljeđujući koherenciju prvog{0}}reda i robusnu fotonsku identičnost lasera, laser-pretvoreni izvori jednog-fotona mogu se naširoko primijeniti u raznim kvantnim komunikacijskim protokolima-temeljenim na smetnjama, kvantnim radarima s-faznim-nizom nizova-fotona i načinom-zaključanog jednog-fotona izvori. Oni obećavaju kao standardni kvantni izvor svjetlosti za budući kvantni internet.
Slika 1
(a) Shema strukture i princip rada laserski-pretvorenog izvora jednog-fotona; (b) slika uređaja skeniranim elektronskim mikroskopom; (c) Koherentni spektri refleksije pri različitim intenzitetima pogona, pokazujući omjer prebacivanja jednog-fotona od 50:1; (d) Nulta vrijednost g(2)(0) korelacijske funkcije drugog-reda reflektiranog svjetlosnog polja kao funkcija laserskog ugađanja; (e) Korelacijska funkcija drugog -reda g(2)(t) reflektiranog svjetlosnog polja pri niskim intenzitetima pogona.
Slika 2 (a) Koherencija prvog-reda izvora jednog-fotona karakterizirana Mach-Zehnderovom interferometrijom; (b) Demonstracija da izvor laserske-pretvorbe-jednog-fotona dijeli isto vrijeme koherencije kao i pogonski laser, postignuto odgođenom heterodinskom interferometrijom i vremenski-mjerenjima koincidencije; (c) Evolucija vidljivosti interferencije dva-fotona s vremenskom razlikom emisije, dokazujući robusnu fotonsku homogenost izvora.
Prvi autori ovog rada su Wang Mannan i Li Yanfeng, doktorandi na Institutu za kvantne informacije, s dopisnim autorom Hu Chengyongom, istraživačem na istom institutu. Su-koautori su Zeng Chuanyu, doktorand na Institutu za kvantne informacije; Huang Guoqi, doktorand na Sveučilištu pošte i telekomunikacija u Pekingu; inženjeri Liu Li, Wang Wenyan i Ji Weijie s Instituta za kvantne informacije; kao i postdoktorand Liu Hanqing, istraživači Ni Haiqiao i Niu Zhichuan s Instituta za poluvodiče Kineske akademije znanosti. Ovaj rad poduprli su Pekinška zaklada za prirodne znanosti i Kineski nacionalni ključni program za istraživanje i razvoj.
