7月9日，《自然》在線刊發(fā)了中山大學(xué)教授王雪華/劉進(jìn)團(tuán)隊(duì)同合作者最新研究成果。他們創(chuàng)新性地提出腔誘導(dǎo)的自發(fā)雙光子輻射方案，首次實(shí)現(xiàn)與單光子輻射強(qiáng)度相當(dāng)?shù)淖园l(fā)雙光子輻射，并成功研發(fā)出保真度高達(dá)0.994的按需觸發(fā)式新型微納量子糾纏光源。
傳統(tǒng)非線性自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程制備的糾纏光源，在量子力學(xué)驗(yàn)證、量子計(jì)算、通信和精密測(cè)量中發(fā)揮關(guān)鍵作用，但受限于概率性光子產(chǎn)生機(jī)制，存在性能瓶頸。自發(fā)雙光子輻射作為另一種量子效應(yīng)，雖早在20世紀(jì)60年代被提出，但因其本質(zhì)效率遠(yuǎn)低于單光子輻射，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期面臨挑戰(zhàn)。
王雪華團(tuán)隊(duì)成員合影。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王雪華（第二排左六），論文通訊作者劉進(jìn)（第二排左七），論文第一作者劉順發(fā)（第三排左七）。研究團(tuán)隊(duì)供圖，下同
“近40年來(lái)，盡管國(guó)際上眾多研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)嘗試，該領(lǐng)域仍未能取得實(shí)質(zhì)性突破?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅猩酱髮W(xué)副教授劉順發(fā)表示，近年來(lái)，半導(dǎo)體材料與器件加工技術(shù)的突破為自發(fā)雙光子輻射實(shí)驗(yàn)提供了契機(jī)，但此前受限于量子輻射子退相干及光學(xué)操控手段，其量子特性未得到充分驗(yàn)證。
王雪華/劉進(jìn)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于光子輻射微納調(diào)控及集成光量子器件研究。在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助下，經(jīng)過(guò)近6年的努力，團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)出多項(xiàng)核心技術(shù)，成功攻克高品質(zhì)微腔制備、微腔與單量子輻射子高精度對(duì)準(zhǔn)及量子輻射子相干操控等難題。同時(shí)，與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研究員牛智川團(tuán)隊(duì)、中山大學(xué)教授喻穎團(tuán)隊(duì)合作，研發(fā)出高品質(zhì)量子點(diǎn)納米精度外延生長(zhǎng)工藝。
論文通訊作者劉進(jìn)對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》表示，其團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)雙光子輻射高效操控及確定性、高保真度糾纏光源制備這一國(guó)際前沿挑戰(zhàn)，提出腔誘導(dǎo)的自發(fā)雙光子輻射方案，利用超高品質(zhì)光學(xué)微腔對(duì)光子產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行微納尺度精細(xì)調(diào)控，突破傳統(tǒng)認(rèn)知，首次實(shí)現(xiàn)與單光子輻射強(qiáng)度相當(dāng)?shù)淖园l(fā)雙光子輻射，并揭示其量子關(guān)聯(lián)特性，獲得超高歸一化雙光子符合強(qiáng)度。同時(shí)首創(chuàng)量子點(diǎn)級(jí)聯(lián)共振泵浦方案，制備出糾纏保真度創(chuàng)紀(jì)錄的按需觸發(fā)式新型糾纏光子對(duì)源。這為后續(xù)構(gòu)建可擴(kuò)展、高容錯(cuò)率的集成光量子信息處理芯片提供了關(guān)鍵量子資源。
自發(fā)雙光子輻射（a）雙光子糾纏概念圖；（b）腔誘導(dǎo)的自發(fā)雙光子輻射光譜；（c）自發(fā)雙光子輻射的量子關(guān)聯(lián)特性。
據(jù)介紹，該研究工作面臨兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)，首先，需要將位置隨機(jī)分布的納米尺寸固態(tài)人造原子以小于50納米的偏差裝配到微米直徑微腔的指定位置，且微腔頻率與雙光子輻射通道的頻率偏差小于1GHz；其次，還需要對(duì)固態(tài)人造原子進(jìn)行相干的光學(xué)操控，確定性制備原子激發(fā)態(tài)，像“光子節(jié)拍器”一般讓光子輻射保持同步。
《自然》雜志審稿人高度評(píng)價(jià)該工作，稱其為“雙光子研究領(lǐng)域的突破性進(jìn)展”，并實(shí)現(xiàn)了“保真度創(chuàng)紀(jì)錄的糾纏光子對(duì)”。
該研究工作為高保真度糾纏光源和高純度雙光子態(tài)的制備開辟了新的道路，為理解單光子水平的光與物質(zhì)非線性相互作用新物理提供了新的思路，為探索更高階的量子輻射效應(yīng)提供了可靠平臺(tái)，將助力于發(fā)展新一代量子精密測(cè)量技術(shù)、構(gòu)建可擴(kuò)展的光量子信息處理芯片。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09267-6
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