Nedávno tým kvantových teček vedený Hu Chengyongem z pekingské Akademie kvantové informační vědy (dále jen „Akademie“) realizoval nový kvantový světelný zdroj-laser-převedený jeden-fotonový zdroj-s využitím nasyceného nelineárního efektu a efektu přepínání jednotlivých fotonů pomocí efektu jednoho kvanta dots.{{4}. Tento zdroj vykazuje ultradlouhou dobu koherence (258±2 mikrosekundy) a robustní fotonovou homogenitu, přičemž výkon jednotlivých-fotonů dosahuje optimální úrovně konvenčních zdrojů se spontánní emisí-jedno{10}}fotonových zdrojů založených na spontánní emisi. Slibuje to jako standardní kvantový světelný zdroj pro kvantové internetové aplikace. Dne 18. listopadu 2025 byly výsledky výzkumu publikovány v Optice pod názvem „Konverze laserového světla na jednotlivé fotony s ultradlouhou dobou koherence“.
Fotony slouží jako ideální nosiče pro přenos kvantové informace a klíčové prostředky pro zpracování kvantové informace. Jedno-fotonové zdroje tvoří základní součásti kvantových technologií, jako jsou optické kvantové výpočty, distribuované kvantové výpočty, kvantová komunikace a kvantová přesnost měření. V současnosti se příprava jednofotonového zdroje primárně opírá o dva technické přístupy: jedním jsou pravděpodobnostní metody založené na spontánní parametrické down-konverzi (SPDC) nebo spontánním čtyř{5}}míšení (SFWM); druhou jsou deterministické metody založené na spontánní emisi z jednotlivých-kvantových systémů, jako jsou studené atomy, iontové pasti, kvantové tečky nebo barevná centra. V posledních letech zaznamenaly emisní -typ kvantové tečky s jedním-fotonovým zdrojem významný pokrok směrem k dosažení ideálních jedno{10}}fotonových zdrojů, které vykazují téměř 100% jedno{12}}fotonovou čistotu a identitu fotonů. Emisní-jednotlivé{15}}fotonové zdroje však stále narážejí na omezení: jsou omezeny dvojnásobnou životností excitonu, jejich koherenční doba prvního{16} řádu je extrémně krátká (pouze desítky až stovky pikosekund) a identita fotonů je náchylná k degradaci v důsledku nábojového šumu a šumu rotace. Budoucí vývoj kvantového internetu se opírá o koherentní kvantovou komunikaci založenou na interferenci dvou-fotonů nebo jednoho{19}}fotonu, což vyžaduje jedno-fotonové zdroje s vynikající koherencí a robustní identitou fotonů. Emisní-jednotlivé-fotonové zdroje se v současné době potýkají s tím, že tyto požadavky plně splňují. Přestože lasery mají ze své podstaty vynikající koherenci, nelze je pomocí lineárních optických prvků přímo zeslabit na jednotlivé -fotonové stavy.
Aby se výzkumný tým vypořádal s těmito výzvami, spolupracoval s Institutem polovodičů Čínské akademie věd a navrhl a realizoval třetí metodu přípravy jednoho-fotonového zdroje: laserovou konverzi-jednotného{2}}fotonového zdroje (LCSPS) založeného na laserové konverzi. Na rozdíl od tradičních jednostranných -struktur optických mikrodutin běžně používaných v emisních -jednotných{6}}fotonových zdrojích, tým navrhl symetrickou oboustrannou -optickou mikrodutinu [viz obrázek 1(a)]. Tato struktura účinně potlačuje rozptyl laseru v dutině, aniž by se spoléhala na ortogonální polarizační filtry. Po odrazu v systému kvantové tečky-mikrodutinové vazby je laser přímo převeden na jediný foton [viz obrázek 1(a)], který vykazuje následující vynikající vlastnosti: ultra-dlouhá koherenční doba [258±2 μs, viz obr. 2(b)], robustní foton nerozlišitelnost [94.3% [94.3% [94.3% nerozlišitelnost] Obr. 2(c)] a dokonalá jedno-fotonová čistota [g(2)(0)=0.030±0,002, viz obr. 1(e)]. Všechna data představují hrubé výsledky měření.
Funkční princip laserového -konvertovaného jediného-fotonového zdroje lze kvalitativně vysvětlit na základě nasycené nelinearity a efektů přepínání jednotlivých{2}}fotonů jednotlivých kvantových teček: Když jeden foton interaguje s kvantovou tečkou a je od ní odražen, následné dopadající fotony jsou přenášeny během doby života excitonového stavu v důsledku vstupu nasyceného kvantového bodu. Tento proces způsobuje, že odražené světlo vykazuje anti-koherentní chování, zobrazuje jedno-fotonové charakteristiky, zatímco procházející světlo vykazuje koherenční efekty a má více-fotonové vlastnosti. Základní hluboký fyzikální mechanismus pochází z kvantové interference mezi koherentními stavy (tj. laserem) a multi{10}}fotonovými stavy. Tento interferenční proces účinně potlačuje pravděpodobnost, že se v poli odraženého světla objeví vícefotonové složky, čímž se pole odraženého laserového světla přemění na jednotlivé fotony.
Laserem zděděné-koherence prvního řádu a robustní fotonovou identitu laserů lze laserem-převést jedno{2}}fotonové zdroje široce použít v různých-kvantových komunikačních protokolech založených na interferenci, jedno-fotonově fázovaných-kvantových radarech s jedním polem a režimových{7}uzamčených zdrojích{6}}. Jsou příslibem jako standardní kvantový zdroj světla pro budoucí kvantový internet.
Obrázek 1
(a) Schéma struktury a principu fungování laserového -jednotlivého-fotonového zdroje; (b) Snímek zařízení ze skenovacího elektronového mikroskopu; (c) Spektra koherentního odrazu při různých intenzitách buzení, demonstrující jednofotonový přepínací poměr 50:1; (d) Nulová hodnota g(2)(0) korelační funkce druhého-řádu odraženého světelného pole jako funkce rozladění laseru; (e) Korelační funkce druhého-řádu g(2)(t) pole odraženého světla při nízkých intenzitách řízení.
Obrázek 2 (a) Koherence prvního-řádu jediného-fotonového zdroje charakterizovaného Mach-Zehnderovou interferometrií; (b) Demonstrace, že laserový-konverzní-jednotlivý-fotonový zdroj sdílí stejnou dobu koherence jako hnací laser, dosažené pomocí zpožděné heterodynové interferometrie a časově{7}}rozlišených koincidenčních měření; (c) Evoluce dvou-fotonové interference viditelnosti s časovým rozdílem emise, což dokazuje robustní fotonovou homogenitu zdroje.
Prvními autory tohoto článku jsou Wang Mannan a Li Yanfeng, doktorandi z Ústavu kvantových informací, s odpovídajícím autorem Hu Chengyongem, výzkumným pracovníkem stejného ústavu. Spolu-autory jsou Zeng Chuanyu, doktorand na Institutu kvantových informací; Huang Guoqi, doktorand na Pekingské univerzitě pošt a telekomunikací; inženýři Liu Li, Wang Wenyan a Ji Weijie z Ústavu kvantových informací; stejně jako postdoktorand Liu Hanqing, výzkumníci Ni Haiqiao a Niu Zhichuan z Institutu polovodičů Čínské akademie věd. Tato práce byla podporována Beijing Natural Science Foundation a Národním klíčovým programem výzkumu a vývoje Číny.
