Nedavno je tim kvantnog računarstva na kvantnim tačkama predvođen Hu Chengyongom na Pekinškoj akademiji za kvantne informacione nauke (u daljem tekstu "Akademija") realizovao novi kvantni izvor svjetlosti-laserski-konvertiran pojedinačni-fotonski izvor-saturph, nelinijski efekat sa turph4 preklopni efekat pojedinačnih kvantnih tačaka. Ovaj izvor pokazuje ultradugo vrijeme koherencije (258±2 mikrosekunde) i robusnu homogenost fotona, sa jednim-fotonskim performansama koje dostižu optimalni nivo konvencionalnih izvora spontane emisije-baziranih na jednom-fotonu. Obećava kao standardni kvantni izvor svjetlosti za kvantne internet aplikacije. 18. novembra 2025. rezultati istraživanja objavljeni su u Optici pod naslovom "Pretvaranje laserske svjetlosti u pojedinačne fotone sa ultradugim vremenom koherencije".
Fotoni služe kao idealni nosači za kvantni prijenos informacija i ključni nosači za kvantnu obradu informacija. Izvori jednog-fotona čine osnovne komponente kvantnih tehnologija kao što su optičko kvantno računanje, distribuirano kvantno računarstvo, kvantna komunikacija i kvantno precizno mjerenje. Trenutno se priprema jednog-izvora fotona prvenstveno oslanja na dva tehnička pristupa: jedan su probabilističke metode zasnovane na spontanoj parametarskoj konverziji{4}}na niže (SPDC) ili spontanom miješanju četiri-talasa (SFWM); druga su determinističke metode zasnovane na spontanoj emisiji iz pojedinačnih-kvantnih sistema, kao što su hladni atomi, jonske zamke, kvantne tačke ili centri boja. Poslednjih godina, emisioni -tip kvantne tačke jedno-izvori su napravili značajan napredak ka postizanju idealnih jedno-izvora sa jednim fotonom, pokazujući skoro 100% čistoću jednog-fotona i fotonski identitet. Međutim, emisioni{14}}bazirani na jednom-izvoru još uvijek se suočavaju s ograničenjima: ograničeni dvostrukim životnim vijekom eksitona, njihovo vrijeme koherencije prvog{16}}reda je izuzetno kratko (samo desetine do stotine pikosekundi), a identitet fotona je podložan degradaciji zbog buke bez naboja i spina. Budući razvoj kvantnog interneta oslanja se na koherentnu kvantnu komunikaciju zasnovanu na interferenciji s dva-fotona ili jednom-fotonom, zahtijevajući jedno-izvore sa odličnom koherentnošću i robusnim fotonskim identitetom. Izvori -zasnovanih na jednom fotonu{23}} trenutno se bore da u potpunosti ispune ove zahtjeve. Iako laseri inherentno posjeduju izvanrednu koherentnost, oni se ne mogu direktno oslabiti na jedno-fotonska stanja korištenjem linearnih optičkih elemenata.
Kako bi riješio ove izazove, istraživački tim je sarađivao sa Institutom za poluprovodnike Kineske akademije nauka, predlažući i realizirajući treću metodu za pripremu jednog-izvora jednog fotona: laserski konverzijski izvor-bazirani na jednom-izvoru (LCSPS). Za razliku od tradicionalnih jednostranih -struktura optičkih mikrošupljina koje se obično koriste u emisionim -jednom{6}} izvorima fotona, tim je dizajnirao simetričnu dvostranu -opticku mikrošupljinu [vidi Sliku 1(a)]. Ova struktura efikasno potiskuje lasersko rasipanje unutar šupljine bez oslanjanja na filtere ortogonalne polarizacije. Nakon refleksije unutar sistema za spajanje kvantne tačke-mikrokavnost, laser se direktno pretvara u jedan foton [vidi Sliku 1(a)], pokazujući sljedeća izvanredna svojstva: ultra-dugo vrijeme koherentnosti [258±2 μs, vidi Sliku. 2(b)], vidi sliku . 2(b)], vidi robusnost ± 04%, robusnost. Fig. 2(c)], i savršena čistoća jednog-fotona [g(2)(0)=0.030±0,002, vidi sliku. 1(e)]. Svi podaci predstavljaju sirove rezultate mjerenja.
Princip rada laserski-konvertovanog jednog-izvora može se kvalitativno objasniti na osnovu zasićene nelinearnosti i efekta preklapanja jednog-fotona pojedinačnih kvantnih tačaka: Kada jedan foton stupi u interakciju sa kvantnom tačkom i reflektuje se od kvantne tačke, naknadni upadni fotoni se prenose unutar životnog vijeka saturnog ekscitona koji se prenosi na kvantnu tačku. stanje. Ovaj proces uzrokuje da reflektovana svjetlost pokazuje anti-ponašanje koherencije, pokazujući karakteristike jednog-fotona, dok propušteno svjetlo pokazuje efekte koherencije, posjedujući svojstva više-fotona. Osnovni duboki fizički mehanizam proizlazi iz kvantne interferencije između koherentnih stanja (tj. lasera) i više{10}}fotonskih stanja. Ovaj proces interferencije efikasno potiskuje vjerovatnoću pojavljivanja više-fotonskih komponenti u reflektiranom svjetlosnom polju, pretvarajući reflektirano svjetlosno polje lasera u pojedinačne fotone.
Naslijeđujući koherentnost prvog-reda i robustan fotonski identitet lasera, laserski-konvertovani pojedinačni-izvori mogu se široko primjenjivati u različitim kvantnim komunikacijskim protokolima zasnovanim na smetnjama-, jedno-fotonskim faznim{{5}{6} radarima i kvantnim modovima rada jedno-izvori fotona. Oni obećavaju kao standardni kvantni izvor svjetlosti za budući kvantni internet.
Slika 1
(a) Šema strukture i principa rada laser-konvertovanog jednog-izvora jednog fotona; (b) Skenirajući elektronski mikroskop uređaja; (c) Spektri koherentne refleksije pri različitim intenzitetima pogona, pokazujući omjer prebacivanja pojedinačnih-fotona 50:1; (d) Nulta vrijednost g(2)(0) korelacijske funkcije drugog - reda reflektiranog svjetlosnog polja kao funkcija laserskog određivanja; (e) Korelaciona funkcija drugog - reda g(2)(t) reflektovanog svjetlosnog polja pri niskim intenzitetima pogona.
Slika 2 (a) Koherentnost prvog-reda jednog-izvora fotona karakteriziranog Mach-Zehnderovom interferometrijom; (b) Demonstracija da laserski-konverzioni-tip jednostrukog-izvora dijeli isto vrijeme koherentnosti kao i pokretački laser, postignuto odloženom heterodinskom interferometrijom i vremenski-mjerenjima koincidencija; (c) Evolucija vidljivosti interferencije dva- fotona sa vremenskom razlikom emisije, što dokazuje robusnu homogenost fotona izvora.
Prvi autori ovog rada su Wang Mannan i Li Yanfeng, doktorandi na Institutu za kvantne informacije, sa odgovarajućim autorom Hu Chengyongom, istraživačem na istom institutu. Ko{1}}koautori su Zeng Chuanyu, student doktorskih studija na Institutu za kvantne informacije; Huang Guoqi, student doktorskih studija na Univerzitetu za poštu i telekomunikacije u Pekingu; inženjeri Liu Li, Wang Wenyan i Ji Weijie iz Instituta za kvantne informacije; kao i postdoktorski istraživač Liu Hanqing, istraživači Ni Haiqiao i Niu Zhichuan sa Instituta za poluprovodnike Kineske akademije nauka. Ovaj rad je podržan od strane Pekinške fondacije za prirodne nauke i Nacionalnog ključnog programa za istraživanje i razvoj Kine.
