中國科大潘建偉團隊首次實現國際最優單光子源

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等近期在國際上首次實現基于半導體量子點的高效率和高全同性的單光子源，綜合性能達到國際最優，為實現基于固態體系的大規模光子糾纏和量子信息技術奠定了科學基礎。國際權威學術期刊《物理評論快報》、《自然》日前介紹了該項成果。

據介紹，量子點是通過分子束外延方法制備的半導體量子器件，又被稱為“人造原子”，原理上可以為量子信息技術提供理想的單光子源。為了能夠真正用于可擴展、實用化的量子信息技術，單光子器件必須同時滿足三個核心性能指標：單光子性、高全同性和高提取效率。盡管從2000年開始，國際上許多研究機構對量子點光學調控進行了深入探索，然而這三個核心指標一直無法得到同時滿足，因而成為固態量子光學領域15年來懸而未決的重大挑戰。

2013年，潘建偉、陸朝陽等首創量子點脈沖共振激發，實現了當時國際上全同性最好的單光子源，但由于量子點平面腔結構的限制，之前的實驗中熒光收集效率較低。為了大幅提高熒光提取效率，近期他們通過高精度分子束外延生長與納米刻蝕工藝結合，獲得了低溫下與量子點單光子頻率共振的高品質因子光學諧振腔。結果顯示，實驗產生的單光子源提取效率達到66％，單光子性優于99．1％，全同性優于98．6％，在國際上首次同時解決了單光子源的三個關鍵問題，成為目前國際上綜合性能最優秀的單光子源。

據了解，該實驗實現的量子點單光子源亮度比國際上最好的基于參量下轉換的觸發式單光子提高了10倍，同時具有接近完美的全同性，而且所需激光泵浦功耗降低1千萬倍（納瓦量級），可在將來應用于大規模光子糾纏，進一步推動多光子糾纏與干涉度量學的發展。

國際權威學術期刊《物理評論快報》1月15日以“編輯推薦”的形式發表了該項研究成果，并在美國物理學會的《物理》網站專門撰文介紹。英國《自然》雜志也在最近一期的“研究亮點”欄目以“可實用化的單光子源”為題對此做了專門報道。