【儀表網 研發快訊】在構建未來量子互聯網和量子計算機的宏偉藍圖中，高純度的單光子源如同不可或缺的“純凈光源”，是進行安全通信和精確計算的基礎。然而，在實際應用中，科學家們長期面臨一個棘手難題：理論上完美的單光子源，其輸出中總會混入不必要的“雙光子”噪聲，嚴重制約了量子技術的性能提升。以往，學界普遍將這一雜質主要歸咎于實驗裝置的光學反射。但北京量子信息科學研究院袁之良團隊的一項最新研究，從根本上顛覆了這一傳統認知，首次系統揭示了限制單光子純度的兩大內在物理機制，為研制更高性能的量子光源指明了全新的方向。
追根溯源：超越“反射背景”的深度探索
在量子信息領域，單光子源的純度通常通過二階關聯函數g²(0)來衡量，其理想值應為0，表示絕對不存在兩個光子同時出現的情況。然而，基于固態量子點(一種優異的人造原子)的單光子濾波器，其g²(0)值常被觀測到高于理想值，即存在“雙光子成分”。長久以來，主流觀點認為，這些多余的光子主要來源于泵浦激光被微腔結構反射而形成的背景噪聲。只要精巧地設計光學結構，似乎就能解決問題。
袁之良團隊的研究卻跳出了這一框架，他們直指核心：即便最大限度地抑制了來自外部的激光反射，單光子純度是否就能逼近理論極限？ 為了回答這個問題，研究團隊設計了一套極其精巧的實驗。他們采用了反射率低至1%的微柱腔，這幾乎將腔體反射的激光背景降到了可忽略不計的水平。同時，他們結合脈沖共振激發技術，對單個量子點進行精確調控。
發現核心機制：量化雙光子的“真正起源”
通過這一近乎理想的實驗平臺，團隊對輸出的單光子進行了極其精細的測量，包括時間分辨光譜和高階關聯函數分析。結果令人驚訝且清晰：
多次激發貢獻61.9%：這是指在一個激發脈沖周期內，量子點被意外地多次激發，從而導致發射出多個光子。這揭示了能量注入過程本身的內在隨機性。
受激發射貢獻37.6%：這是更具深度的發現。它意味著，當第一個光子被發射后，其存在會以一種受激輻射的方式，誘發量子點發射第二個相干光子。這一過程揭示了光與物質在單量子層面強耦合作用的另一面。
殘余激光反射僅占0.5%：傳統上被認為是主要噪聲源的反射背景，在此次實驗中貢獻微乎其微。
這一精確的量化數據(61.9%, 37.6%, 0.5%)鐵證如山，首次證實多次激發和受激發射才是限制固態單光子源純度的兩大核心物理機制。研究還進一步發現，當所用激光脈沖的寬度與量子點本身的激子壽命相當時，受激發射的貢獻會變得尤為顯著，這為動態調控光子發射特性提供了關鍵見解。
邁向未來：為下一代量子光源設計繪制藍圖
這項名為《揭示固態單光子濾波器中雙光子成分起源》的研究，其意義遠不止于澄清一個科學疑問。它如同一份清晰的“診斷報告”，確切地指出了現有技術路線的瓶頸所在。
基于這一革命性認知，研究團隊為未來更高純度單光子源的設計提出了切實可行的藍圖：
采用寬帶、低反射率微腔，繼續抑制無關反射。
優化激發脈沖，使用更短、更精確的脈沖來減少多次激發的概率，并謹慎調節脈沖參數以規避會增強受激發射的區間。
這一新理解也可能推動人們探索全新的材料體系或量子發射體結構，從物理源頭削弱這兩大內在機制。
這項由袁之良團隊完成，王嘉俊、王健、吳邦等研究人員共同主導的突破性工作，已發表在權威期刊《ACS光子學》上。它不僅是基礎研究的重要進展，更是連接基礎科學與工程應用的橋梁。通過揭開單光子純度最深層的物理限制，這項研究為量子光源的性能提升掃清了關鍵認知障礙，加速了高保真度量子計算、遠距離量子通信等前沿技術的實用化進程，讓我們向駕馭量子之光的未來又邁進了一大步。
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