中科大团队实现综合性能国际最优的单光子源

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等近期在国际上首次实现基于半导体量子点的高效率和高全同性的单光子源，综合性能达到国际最优，为实现基于固态体系的大规模光子纠缠和量子信息技术奠定了科学基础。国际学术期刊《物理评论快报》、《自然》日前介绍了该成果。

据介绍，量子点是通过分子束外延方法制备的半导体量子器件，又被称为“人造原子”，原理上可以为量子信息技术提供理想的单光子源。为了能够真正用于可扩展、实用化的量子信息技术，单光子器件必须同时满足三个核心性能指标：单光子性、高全同性（即基本粒子的内禀属性完全相同）和高提取效率。尽管从2000年开始，国际上许多研究机构对量子点光学调控进行了深入探索，然而这三个核心指标一直无法得到同时满足，因而成为固态量子光学领域15年来悬而未决的重大挑战。

2013年，潘建伟、陆朝阳等首创量子点脉冲共振激发，实现了当时国际上全同性最好的单光子源，但由于量子点平面腔结构的限制，之前的实验中荧光收集效率较低。为了大幅提高荧光提取效率，近期他们通过高精度分子束外延生长与纳米刻蚀工艺结合，获得了低温下与量子点单光子频率共振的高品质因子光学谐振腔。结果显示，实验产生的单光子源提取效率达到66%，单光子性优于99．1%，全同性优于98．6%，在国际上首次同时解决了单光子源的三个关键问题，成为目前国际上综合性能最优秀的单光子源。

据了解，该实验实现的量子点单光子源亮度比国际上最好的基于参量下转换的触发式单光子提高了10倍，同时具有接近完美的全同性，而且所需激光泵浦功耗降低1千万倍（纳瓦量级），这样的量子点单光子源可在将来应用于大规模光子纠缠，进一步推动多光子纠缠与干涉度量学的发展。

《物理评论快报》1月15日以“编辑推荐”的形式发表了该研究成果，并在美国物理学会的《物理》网站专门撰文介绍。英国《自然》杂志也在最近一期的“研究亮点”栏目以“可实用化的单光子源”为题做了专门报道。