Hiljuti realiseeris Pekingi kvantinfoteaduste akadeemia (edaspidi "akadeemia") kvantpunkt-kvantarvutite meeskond, mida juhib Hu Chengyong, uudse kvantvalgusallika -laseriga-konverteeritud ühe-fotoniallika-ainsat mittelineaarset lülitusefekti ja üksikut fotoonset efekti. kvantpunktid. Sellel allikal on ülipikk koherentsusaeg (258±2 mikrosekundit) ja fotonite tugev homogeensus ning ühe-fotoni jõudlus saavutab tavapäraste spontaansete emissioonide-põhiste üksikute{10}}fotoniallikate optimaalse taseme. See on paljutõotav standardse kvantvalgusallikana kvant-Interneti rakenduste jaoks. 18. novembril 2025 avaldati uurimistulemused ajakirjas Optica pealkirja all "Laservalguse teisendamine ülipika koherentsusajaga üksikuteks footoniteks".
Footonid on ideaalsed kandjad kvantteabe edastamiseks ja olulised vahendid kvantteabe töötlemiseks. Üksikud-footoniallikad moodustavad kvanttehnoloogiate (nt optilise kvantarvutuse, hajutatud kvantarvutuse, kvantkommunikatsiooni ja kvanttäpsusmõõtmise) põhikomponendid. Praegu tugineb ühe-footoniallika ettevalmistamine peamiselt kahele tehnilisele lähenemisviisile: üks on tõenäosusmeetodid, mis põhinevad spontaansel parameetrilisel-allamuundamisel (SPDC) või spontaansel nelja{5}}laine segamisel (SFWM); teised on deterministlikud meetodid, mis põhinevad spontaansel emissioonil üksikutest-kvantsüsteemidest, nagu külmad aatomid, ioonilõksud, kvantpunktid või värvikeskused. Viimastel aastatel on emissiooni-tüüpi kvantpunkt-üksik-footoniallikad saavutanud märkimisväärseid edusamme ideaalsete üksikute{10}}footonite allikate loomisel, mis näitavad peaaegu 100% ühe-footoni puhtust ja footoni identsust. Kuid emissiooni{14}}põhised üksikud{15}}footoniallikad seisavad endiselt silmitsi piirangutega: neid piirab kaks korda pikem eksitoni eluiga, on nende esimest-järku koherentsusaeg äärmiselt lühike (ainult kümneid kuni sadu pikosekundeid) ning footoni identiteet on vastuvõtlik laengumüra ja pöörlemismüra tõttu. Kvant-Interneti tulevane areng tugineb koherentsele kvantkommunikatsioonile, mis põhineb kahe-fotoni või ühe-footoni interferentsil, mis nõuab ühe-footoni allikaid, millel on suurepärane koherentsus ja tugev footonidentiteet. Emissiooni{22}}põhised üksikud{23}footoniallikad ei suuda praegu neid nõudeid täielikult täita. Kuigi laseritel on oma olemuselt silmapaistev koherentsus, ei saa neid lineaarsete optiliste elementide abil otse üksikute{25}}fotoni olekuteni summutada.
Nende väljakutsete lahendamiseks tegi uurimisrühm koostööd Hiina Teaduste Akadeemia pooljuhtide instituudiga, pakkudes välja ja ellu viima kolmanda meetodi ühe -fotoniallika ettevalmistamiseks: laserkonversiooni-põhise ühe-footoni allika (LCSPS). Erinevalt traditsioonilistest ühe-poolsetest optiliste mikroõõnsuste struktuuridest, mida tavaliselt kasutatakse emissiooni-tüüpi ühe-footoniallikates, kavandas meeskond sümmeetrilise kahe-poolse optilise mikroõõnsuse [vt joonis 1(a)]. See struktuur pärsib tõhusalt laseri hajumist õõnsuses ilma ortogonaalsetele polarisatsioonifiltritele tuginemata. Pärast peegeldumist kvantpunkt-mikroõõnsusega sidestussüsteemis muundatakse laser otse üheks footoniks [vt joonis 1(a)], millel on järgmised silmapaistvad omadused: ülipikk koherentsusaeg [258±2 μs, vt joonis . 2(b) indist.], vt robustne foton [0.9%, vt 3% ±9% Joonis . 2(c)] ja täiuslik ühe-fotoni puhtus [g(2)(0)=0.030±0,002, vt joonist. 1(e)]. Kõik andmed esindavad tooreid mõõtmistulemusi.
Laser-konverteeritud ühe-footoni allika tööpõhimõtet saab kvalitatiivselt seletada üksikute kvantpunktide küllastunud mittelineaarsuse ja üksikute{2}}fotonite ümberlülitusefektide põhjal: kui üksik footon interakteerub kvantpunktiga ja peegeldub sellest, edastatakse järgnevad langevad footonid eksitoni eluea punkt-olekusse sisenemise tõttu. See protsess põhjustab peegeldunud valguse koherentsusevastast käitumist-, kuvades ühe-footoni omadused, samas kui edastatud valgusel ilmnevad koherentsusefektid, millel on mitme-fotoni omadused. Selle aluseks olev süvafüüsikaline mehhanism tuleneb koherentsete olekute (st laseri) ja mitme{10}}fotoni olekute vahelisest kvantinterferentsist. See interferentsiprotsess vähendab tõhusalt mitme{12}}footoni komponentide ilmumise tõenäosust peegeldunud valgusväljas, muutes peegeldunud laservalguse välja üksikuteks footoniteks.
Laserite esimest-järku koherentsust ja tugevat footonidentsust pärinud laser-teisndatud ühe-footoni allikaid saab laialdaselt rakendada erinevates interferents-põhistes kvantsideprotokollides, ühe-fotoonfaasilistes-massiivides ja ühekordsete fotoniallikates.7}.lukustatud{{{}}. Neil on tulevase kvantinterneti standardne kvantvalgusallikas lubadus.
Joonis 1
(a) Laser{0}}konverteeritud ühe-footoni allika struktuuri ja tööpõhimõtte skeem; (b) seadme skaneeriv elektronmikroskoobi kujutis; (c) koherentsed peegeldusspektrid erinevatel ajamiintensiivsustel, mis näitavad ühe-fotoni lülitussuhet 50:1; (d) peegeldunud valgusvälja teist järku korrelatsioonifunktsiooni nullväärtus g(2)(0) laseri häälestuse funktsioonina; (e) Peegeldunud valguse välja teist järku korrelatsioonifunktsioon g(2)(t) madalal ajamiintensiivsusega.
Joonis 2 (a) Mach-Zehnderi interferomeetriaga iseloomustatud üksiku-footoniallika esimest-järjestust; (b) demonstratsioon, et laser-konversioon-tüüpi üksik-footoniallikal on sama koherentsusaeg kui juhtlaseril, mis saavutatakse viivitatud heterodüüninterferomeetria ja aja{7}}lahutusega kokkusattumusmõõtmiste abil; (c) Kahe-fotoni interferentsi nähtavuse areng koos emissiooniaja erinevusega, mis tõestab allika tugevat footoni homogeensust.
Selle artikli esimesed autorid on Kvantinformatsiooni Instituudi doktorandid Wang Mannan ja Li Yanfeng ning vastav autor Hu Chengyong, sama instituudi teadur. Kaasautorite hulgas on Kvantinformatsiooni Instituudi doktorant Zeng Chuanyu; Huang Guoqi, Pekingi Posti- ja Telekommunikatsiooniülikooli doktorant; insenerid Liu Li, Wang Wenyan ja Ji Weijie kvantinformatsiooni instituudist; samuti järeldoktor Liu Hanqing, teadlased Ni Haiqiao ja Niu Zhichuan Hiina Teaduste Akadeemia Pooljuhtide Instituudist. Seda tööd toetasid Pekingi loodusteaduste sihtasutus ja Hiina riiklik teadus- ja arendustegevuse põhiprogramm.
