中外合作實現無激光背景高效率高品質單光子源

據中國科學技術大學網站7月30日消息，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等和德國維爾茲堡大學、英國劍橋大學相關小組合作，在國際上首創雙色脈衝相干激發理論，為光和原子的相互作用等基礎量子光學問題的研究打開了一個新思路，解決了共振熒光長期存在的激光本底噪聲問題。進一步，研究組通過該方法在微腔耦合的半導體量子點體系上實驗實現了無激光背景的高效率和高品質的單光子源，為實現超越經典計算能力的量子計算這一國際學術界稱之為“量子稱霸”的里程碑目標提供了一個有用的新工具。相關論文以長文的形式於近日發表在國際學術期刊《自然·物理》上。美國國家標準與技術研究院、馬里蘭大學Glenn Solomon教授受邀以“Two are better than one”為題對這一研究成果發表News & Views評述文章。

利用電磁脈衝共振驅動和操縱量子比特被廣泛應用於包括離子阱、固態缺陷、超導量子線路等各種物理體系的量子信息技術。2013年，潘建偉、陸朝陽等首創量子點脈衝共振激發方法，解決了先前困擾了國際學術界十多年的單光子源品質問題，率先獲得了接近完美品質的單光子[Nature Nanotechnology8, 213-217 (2013)]。這一技術隨後被國際上廣泛採用。然而，基於單色光的共振激發方法在提升光子品質的同時，激發光會帶來本底噪聲，一般需要高精度的極化濾波去除，因而導致50%的效率損失。這個效率損失使得操縱多個光子的成功率下降，成為以“波色取樣”任務實現超越經典計算能力的量子霸權目標的重要障礙。

為了解決這個長期存在的前沿問題，研究團隊設計了雙色脈衝相干激發方法，採用兩個相位鎖定的雙色失諧脈衝激發量子二能級系統。通過理論和實驗結合的研究發現，雙色失諧脈衝結合不僅可以抵消失諧，有效驅動二能級量子系統，同時，因為頻率上沒有和單光子重疊，可直接通過頻率濾波將激光有效濾除，從而得到高品質的單光子。這個全新的方法和實驗技術為光和二能級原子的相互作用等基礎量子光學提供了新的手段，也向着量子霸權的科學目標邁進了堅實的一步。

該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中科院、安徽省、上海市科委、教育部等單位的支持。