Onlangs heeft het Quantum Dot Quantum Computing-team onder leiding van Hu Chengyong van de Beijing Quantum Information Science Academy (hierna 'de Academie' genoemd) een nieuwe kwantumlichtbron gerealiseerd-een laser-omgezette enkele-fotonbron-door gebruik te maken van het verzadigde niet-lineaire effect en het enkele-foton-schakeleffect van enkele kwantumdots. Deze bron vertoont een ultralange coherentietijd (258±2 microseconden) en een robuuste homogeniteit van fotonen, waarbij de prestaties van afzonderlijke-fotonen het optimale niveau bereiken van conventionele, op spontane emissie-gebaseerde bronnen van afzonderlijke- fotonen. Het is veelbelovend als standaard kwantumlichtbron voor kwantuminternettoepassingen. Op 18 november 2025 werden de onderzoeksresultaten gepubliceerd in Optica onder de titel "Laserlicht converteren naar afzonderlijke fotonen met ultralange coherentietijd."
Fotonen dienen als ideale dragers voor de overdracht van kwantuminformatie en cruciale voertuigen voor de verwerking van kwantuminformatie. Bronnen van afzonderlijke- fotonen vormen de kerncomponenten van kwantumtechnologieën zoals optische kwantumcomputers, gedistribueerde kwantumcomputers, kwantumcommunicatie en kwantumprecisiemetingen. Momenteel berust de voorbereiding van een enkele-fotonbron voornamelijk op twee technische benaderingen: de ene is probabilistische methoden gebaseerd op spontane parametrische neerwaartse-conversie (SPDC) of spontane vier--golfmenging (SFWM); de andere zijn deterministische methoden gebaseerd op spontane emissie uit afzonderlijke-kwantumsystemen, zoals koude atomen, ionenvallen, kwantumdots of kleurcentra. De afgelopen jaren hebben kwantumdot-enkele-fotonbronnen van het emissie-type aanzienlijke vooruitgang geboekt in de richting van het bereiken van ideale bronnen voor afzonderlijke-fotonen, die bijna 100% zuiverheid en fotonidentiteit van één-foton vertonen. Op emissie-gebaseerde bronnen van afzonderlijke- fotonen worden echter nog steeds geconfronteerd met beperkingen: omdat ze beperkt zijn door tweemaal de levensduur van excitonen, is hun coherentietijd van de eerste-orde extreem kort (slechts tientallen tot honderden picoseconden) en is de identiteit van fotonen gevoelig voor verslechtering door ladingsruis en spinruis. De toekomstige ontwikkeling van het kwantuminternet is afhankelijk van coherente kwantumcommunicatie op basis van interferentie van twee-fotonen of enkele-fotonen, waarbij bronnen van afzonderlijke-fotonen met uitstekende coherentie en robuuste fotonidentiteit nodig zijn. Emissie-gebaseerde bronnen van afzonderlijke- fotonen hebben momenteel moeite om volledig aan deze vereisten te voldoen. Hoewel lasers inherent een uitstekende coherentie bezitten, kunnen ze niet direct worden verzwakt tot afzonderlijke-fotontoestanden met behulp van lineaire optische elementen.
Om deze uitdagingen aan te pakken, heeft het onderzoeksteam samengewerkt met het Institute of Semiconductors van de Chinese Academie van Wetenschappen, waarbij een derde methode voor de voorbereiding van een enkele- fotonbron werd voorgesteld en gerealiseerd: de op laserconversie-gebaseerde enkele- fotonbron (LCSPS). In tegenstelling tot de traditionele enkel-zijdige optische microholtestructuren die gewoonlijk worden gebruikt in emissie-type enkelvoudige-fotonbronnen, ontwierp het team een symmetrische dubbelzijdig-zijdige optische microholte [zie figuur 1(a)]. Deze structuur onderdrukt effectief laserverstrooiing binnen de holte zonder te vertrouwen op orthogonale polarisatiefilters. Na reflectie binnen het quantum dot-microcaviteitskoppelingssysteem wordt de laser direct omgezet in een enkel foton [zie figuur 1(a)], met de volgende uitstekende eigenschappen: een ultra-lange coherentietijd [258±2 μs, zie figuur. 2(b)], robuuste niet-onderscheidbaarheid van fotonen [94,3±0,2%, zie figuur. 2(c)], en perfecte enkele-fotonzuiverheid [g(2)(0)=0.030±0,002, zie figuur. 1(e)]. Alle gegevens vertegenwoordigen ruwe meetresultaten.
Het werkingsprincipe van de laser-geconverteerde enkele- fotonbron kan kwalitatief worden verklaard op basis van de verzadigde niet-lineariteit en schakeleffecten van enkele- fotonen van enkele kwantumdots: wanneer een enkel foton interageert met en wordt gereflecteerd door de kwantumdot, worden daaropvolgende invallende fotonen verzonden binnen de levensduur van het exciton doordat de kwantumdot in een verzadigde toestand terechtkomt. Dit proces zorgt ervoor dat het gereflecteerde licht anti-coherentiegedrag vertoont en karakteristieken van enkele- fotonen vertoont, terwijl het doorgelaten licht coherentie-effecten vertoont en eigenschappen van meerdere- fotonen bezit. Het onderliggende diepe fysieke mechanisme komt voort uit kwantuminterferentie tussen coherente toestanden (dwz laser) en multi-fotontoestanden. Dit interferentieproces onderdrukt effectief de waarschijnlijkheid dat multi-fotoncomponenten in het gereflecteerde lichtveld verschijnen, waardoor het gereflecteerde laserlichtveld wordt omgezet in afzonderlijke fotonen.
Door de eerste-orde-coherentie en robuuste foton-identiteit van lasers te erven, kunnen laser-geconverteerde afzonderlijke-fotonbronnen op grote schaal worden toegepast in verschillende op interferentie-gebaseerde kwantumcommunicatieprotocollen, enkele-foton gefaseerde-array-kwantumradars en modus-vergrendelde afzonderlijke- fotonbronnen. Ze zijn veelbelovend als de standaard kwantumlichtbron voor het toekomstige kwantuminternet.
Figuur 1
(a) Schematische weergave van de structuur en het werkingsprincipe van de laser-omgezette enkele- fotonenbron; (b) Scanning-elektronenmicroscoopbeeld van het apparaat; (c) Coherente reflectiespectra bij verschillende aandrijfintensiteiten, die een 50:1 schakelverhouding van enkele- fotonen aantonen; (d) Nulwaarde g(2)(0) van de correlatiefunctie van de tweede-orde van het gereflecteerde lichtveld als functie van laserontstemming; (e) Tweede-orde correlatiefunctie g(2)(t) van het gereflecteerde lichtveld bij lage aandrijfintensiteiten.
Figuur 2 (a) Eerste- coherentie van de enkele- fotonenbron gekenmerkt door Mach-Zehnder-interferometrie; (b) Demonstratie dat de laser-conversie-type enkele-fotonbron dezelfde coherentietijd deelt als de aandrijvende laser, bereikt door vertraagde heterodyne interferometrie en tijd-opgeloste coïncidentiemetingen; (c) Evolutie van de zichtbaarheid van twee-fotoneninterferentie met emissietijdsverschil, wat de robuuste fotonenhomogeniteit van de bron bewijst.
De eerste auteurs van dit artikel zijn Wang Mannan en Li Yanfeng, promovendi aan het Institute of Quantum Information, met corresponderende auteur Hu Chengyong, een onderzoeker aan hetzelfde instituut. Tot de co-auteurs behoren Zeng Chuanyu, een doctoraalstudent aan het Institute of Quantum Information; Huang Guoqi, een doctoraalstudent aan de Beijing University of Posts and Telecommunications; ingenieurs Liu Li, Wang Wenyan en Ji Weijie van het Institute of Quantum Information; evenals postdoctoraal onderzoeker Liu Hanqing, onderzoekers Ni Haiqiao en Niu Zhichuan van het Institute of Semiconductors, Chinese Academie van Wetenschappen. Dit werk werd ondersteund door de Beijing Natural Science Foundation en het National Key R&D-programma van China.
