新研究实现保真度创记录的微纳量子纠缠光源
7月9日，《自然》在线刊发了中山大学教授王雪华/刘进团队同合作者最新研究成果。他们创新性地提出腔诱导的自发双光子辐射方案，首次实现与单光子辐射强度相当的自发双光子辐射，并成功研发出保真度高达0.994的按需触发式新型微纳量子纠缠光源。
传统非线性自发参量下转换过程制备的纠缠光源，在量子力学验证、量子计算、通信和精密测量中发挥关键作用，但受限于概率性光子产生机制，存在性能瓶颈。自发双光子辐射作为另一种量子效应，虽早在20世纪60年代被提出，但因其本质效率远低于单光子辐射，实验实现长期面临挑战。
王雪华团队成员合影。团队负责人王雪华（第二排左六），论文通讯作者刘进（第二排左七），论文第一作者刘顺发（第三排左七）。研究团队供图，下同
“近40年来，尽管国际上众多研究团队进行了多种实验尝试，该领域仍未能取得实质性突破。”论文第一作者、中山大学副教授刘顺发表示，近年来，半导体材料与器件加工技术的突破为自发双光子辐射实验提供了契机，但此前受限于量子辐射子退相干及光学操控手段，其量子特性未得到充分验证。
王雪华/刘进团队长期致力于光子辐射微纳调控及集成光量子器件研究。在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助下，经过近6年的努力，团队自主研发出多项核心技术，成功攻克高品质微腔制备、微腔与单量子辐射子高精度对准及量子辐射子相干操控等难题。同时，与中国科学院半导体研究所研究员牛智川团队、中山大学教授喻颖团队合作，研发出高品质量子点纳米精度外延生长工艺。
论文通讯作者刘进对《中国科学报》表示，其团队瞄准双光子辐射高效操控及确定性、高保真度纠缠光源制备这一国际前沿挑战，提出腔诱导的自发双光子辐射方案，利用超高品质光学微腔对光子产生过程进行微纳尺度精细调控，突破传统认知，首次实现与单光子辐射强度相当的自发双光子辐射，并揭示其量子关联特性，获得超高归一化双光子符合强度。同时首创量子点级联共振泵浦方案，制备出纠缠保真度创纪录的按需触发式新型纠缠光子对源。这为后续构建可扩展、高容错率的集成光量子信息处理芯片提供了关键量子资源。
自发双光子辐射（a）双光子纠缠概念图；（b）腔诱导的自发双光子辐射光谱；（c）自发双光子辐射的量子关联特性。
据介绍，该研究工作面临两个关键挑战，首先，需要将位置随机分布的纳米尺寸固态人造原子以小于50纳米的偏差装配到微米直径微腔的指定位置，且微腔频率与双光子辐射通道的频率偏差小于1GHz；其次，还需要对固态人造原子进行相干的光学操控，确定性制备原子激发态，像“光子节拍器”一般让光子辐射保持同步。
《自然》杂志审稿人高度评价该工作，称其为“双光子研究领域的突破性进展”，并实现了“保真度创纪录的纠缠光子对”。
该研究工作为高保真度纠缠光源和高纯度双光子态的制备开辟了新的道路，为理解单光子水平的光与物质非线性相互作用新物理提供了新的思路，为探索更高阶的量子辐射效应提供了可靠平台，将助力于发展新一代量子精密测量技术、构建可扩展的光量子信息处理芯片。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09267-6
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