Niedawno zespół zajmujący się obliczeniami kwantowymi kropek kwantowych kierowany przez Hu Chengyonga z Pekińskiej Akademii Kwantowej Informacji Naukowej (zwanej dalej „Akademią”) opracował nowatorskie źródło światła kwantowego,-będące źródłem pojedynczego-fotonu-przekształconego laserem-, wykorzystując nasycony efekt nieliniowy i efekt przełączania pojedynczych-fotonów pojedynczych kropek kwantowych. Źródło to charakteryzuje się ultradługim czasem koherencji (258±2 mikrosekund) i dużą jednorodnością fotonów, a wydajność pojedynczego-fotonu osiąga optymalny poziom konwencjonalnych źródeł pojedynczych-fotonów opartych na emisji spontanicznej. Jest obiecującym standardowym źródłem światła kwantowego w zastosowaniach Internetu kwantowego. 18 listopada 2025 roku w czasopiśmie Optica opublikowano wyniki badań pod tytułem „Przekształcanie światła laserowego w pojedyncze fotony o ultradługim czasie koherencji”.
Fotony służą jako idealne nośniki do transmisji informacji kwantowej i kluczowe nośniki do przetwarzania informacji kwantowej. Źródła pojedynczych-fotonów stanowią podstawowe elementy technologii kwantowych, takich jak optyczne obliczenia kwantowe, rozproszone obliczenia kwantowe, komunikacja kwantowa i pomiary z precyzją kwantową. Obecnie przygotowanie źródła pojedynczego-fotonu opiera się głównie na dwóch podejściach technicznych: jedno to metody probabilistyczne oparte na spontanicznej parametrycznej konwersji w dół (SPDC) lub spontanicznym mieszaniu czterech-fal (SFWM); drugie to metody deterministyczne oparte na emisji spontanicznej z pojedynczych-układów kwantowych, takich jak zimne atomy, pułapki jonowe, kropki kwantowe lub centra kolorów. W ostatnich latach źródła pojedynczych-fotonów typu emisyjnego z kropką kwantową poczyniły znaczny postęp w kierunku uzyskania idealnych źródeł pojedynczych-fotonów, charakteryzujących się niemal 100% czystością i tożsamością pojedynczych-fotonów. Jednak źródła pojedynczych-fotonów oparte na emisji nadal borykają się z ograniczeniami: ograniczone przez dwukrotnie dłuższy czas życia ekscytonu, ich czas koherencji-pierwszego rzędu jest niezwykle krótki (tylko dziesiątki do setek pikosekund), a tożsamość fotonów jest podatna na degradację na skutek szumu ładunku i szumu spinu. Przyszły rozwój Internetu kwantowego opiera się na spójnej komunikacji kwantowej opartej na interferencji dwóch-fotonów lub pojedynczych-fotonów, co wymaga źródeł pojedynczych-fotonów o doskonałej spójności i solidnej tożsamości fotonów. Źródła-pojedynczych-fotonów oparte na emisji mają obecnie trudności z pełnym spełnieniem tych wymagań. Chociaż lasery z natury posiadają wyjątkową spójność, nie można ich bezpośrednio tłumić do stanów pojedynczych-fotonów za pomocą liniowych elementów optycznych.
Aby stawić czoła tym wyzwaniom, zespół badawczy nawiązał współpracę z Instytutem Półprzewodników Chińskiej Akademii Nauk, proponując i realizując trzecią metodę przygotowania źródła pojedynczego-fotonu: źródło pojedynczego-fotonu oparte na konwersji laserowej-(LCSPS). W przeciwieństwie do tradycyjnych jednostronnych-struktur optycznych mikrownęk powszechnie stosowanych w pojedynczych-źródłach fotonów typu emisyjnego, zespół zaprojektował symetryczną dwustronną-mikrownękę optyczną [patrz rysunek 1(a)]. Struktura ta skutecznie tłumi rozpraszanie lasera we wnęce bez konieczności stosowania ortogonalnych filtrów polaryzacyjnych. Po odbiciu w układzie sprzęgającym-mikrownęki kropki kwantowej laser jest bezpośrednio przekształcany w pojedynczy foton [patrz rysunek 1(a)], wykazujący następujące wyjątkowe właściwości: ultra-długi czas koherencji [258±2 μs, patrz rys.. 2(b)], solidna nierozróżnialność fotonów [94,3±0,2%, patrz Rys.. 2(c)] i idealną czystość pojedynczego-fotonu [g(2)(0)=0.030±0,002, patrz rys.. 1(e)]. Wszystkie dane reprezentują surowe wyniki pomiarów.
Zasadę działania pojedynczego-źródła fotonów przekształconego laserem można jakościowo wyjaśnić w oparciu o nasyconą nieliniowość i efekty przełączania pojedynczych-fotonów pojedynczych kropek kwantowych: gdy pojedynczy foton oddziałuje z kropką kwantową i jest przez nią odbijany, kolejne padające fotony są przesyłane w ciągu życia ekscytonu z powodu wejścia kropki kwantowej w stan nasycenia. Proces ten powoduje, że światło odbite wykazuje zachowanie anty-koherencji, wykazując charakterystykę pojedynczego-fotonu, podczas gdy światło przechodzące wykazuje efekty koherencji, posiadające właściwości wielo-fotonów. Podstawowy głęboki mechanizm fizyczny wynika z interferencji kwantowej między stanami spójnymi (tj. laserem) a stanami wielo-fotonowymi. Ten proces interferencji skutecznie zmniejsza prawdopodobieństwo pojawienia się-składników wielofotonowych w odbitym polu światła, przekształcając odbite pole światła laserowego w pojedyncze fotony.
Dziedzicząc spójność- pierwszego rzędu i solidną tożsamość fotonów po laserach, pojedyncze-źródła fotonów poddane konwersji laserowej mogą być szeroko stosowane w różnych protokołach komunikacji kwantowej-opartych na zakłóceniach, radarach kwantowych z pojedynczym-fazowym-fotonem i-źródłach pojedynczych{7}}fotonów z blokadą trybów. Są obiecujące jako standardowe źródło światła kwantowego dla przyszłego Internetu kwantowego.
Rysunek 1
(a) Schemat struktury i zasady działania pojedynczego-źródła fotonów przekształconego laserem; b) obraz urządzenia ze skaningowego mikroskopu elektronowego; (c) Spójne widma odbić przy różnych intensywnościach napędu, wykazujące współczynnik przełączania pojedynczego-fotonu 50:1; (d) Wartość zerowa g(2)(0) funkcji korelacji-drugiego rzędu pola światła odbitego w funkcji rozstrojenia lasera; (e) Funkcja korelacji- drugiego rzędu g(2)(t) pola światła odbitego przy niskich intensywnościach napędu.
Rysunek 2 (a) Spójność-pierwszego rzędu pojedynczego-źródła fotonów scharakteryzowana interferometrią Macha-Zehndera; (b) Wykazanie, że pojedyncze-źródło fotonów typu-konwersji-laserowej ma ten sam czas koherencji co laser napędowy, uzyskany za pomocą opóźnionej interferometrii heterodynowej i-rozdzielczych pomiarów koincydencji; (c) Ewolucja widoczności interferencji dwóch-fotonów z różnicą czasu emisji, potwierdzająca solidną jednorodność fotonów źródła.
Pierwszymi autorami tego artykułu są Wang Mannan i Li Yanfeng, doktoranci w Instytucie Informacji Kwantowej, wraz z autorem korespondującym Hu Chengyongiem, pracownikiem naukowym w tym samym instytucie. Współ-autorami są Zeng Chuanyu, doktorant w Instytucie Informacji Kwantowej; Huang Guoqi, doktorant na Pekińskim Uniwersytecie Poczty i Telekomunikacji; inżynierowie Liu Li, Wang Wenyan i Ji Weijie z Instytutu Informacji Kwantowej; a także badacz ze stopniem doktora Liu Hanqing, badacze Ni Haiqiao i Niu Zhichuan z Instytutu Półprzewodników Chińskiej Akademii Nauk. Prace te były wspierane przez Pekińską Fundację Nauk Przyrodniczych i Chiński Narodowy Program Badań i Rozwoju.
