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单光子“三项全能”,中科大折桂

2016-08-15

  对单光子的制备、操纵和测量是量子信息技术(包括量子网络、量子计算)最基础的部分。如果把大规模可实用化的光学量子信息处理器看成一幢大房子,那么单光子就是一步一步垒成这个房子的砖头。房子要造的高,砖头的质量很关键。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、高全同性和高提取效率。

  从2000年开始,国际上许多研究机构对半导体量子点的光学调控进行了长期和大量的探索,然而这三个核心指标一直存在着此消彼长的问题,无法得到同时满足,因此,制备同时满足三项性能指标的单光子源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(Nature Nanotechnology 8, 213 (2013)),实现了当时国际上全同性最好的单光子源,这一技术很快成为国际上公认的制备高质量单光子源的最佳利器。然而,之前的工作仍受到低收集效率的限制。

  

图1 单光子源的物理实现:(a)量子点微柱的扫描电子显微镜图像;(b)量子点微柱光子发射的数值模拟;(c)单光子的收集提取效率

  为了大幅提高荧光提取效率,该研究组通过高精度分子束外延生长和纳米刻蚀工艺结合,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。由此,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。该成果发表在Phys. Rev. Lett. [116, 020401 (2016)]上。在随后的工作中,研究组进一步证明光子之间的高全同性可以保持15 μs以上,可支持大于1000个光子的大尺度光学量子信息研究(Phys. Rev. Lett. 116, 213601 (2016))。

  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,而且所需激光抽运功耗降低1千万倍(纳瓦量级),这样的量子点单光子源可在将来极大地推动多光子纠缠与干涉度量学的发展。这项工作被审稿人评价为“实验杰作”(tour-de-force)。

  该论文发表后,得到《自然》、《物理世界》等多家国内外著名学术期刊和专业媒体的报道。在短短半年时间内,该工作已经被国际上包括美国国家技术标准局、剑桥大学、牛津大学、布里斯托大学等在内的40多家知名研究机构正面引用。中国科学家首创的脉冲共振荧光新技术激发了世界范围内新一轮固态量子光学研究热潮。

  论文链接:http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.116.020401

  美国物理学会Physics网站报道:

  http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.116.020401

  《自然》杂志Research Highlight报道:http://www.nature.com/nature/journal/v529/n7586/full/529258b.html

  英国物理学会《物理世界》(Physics World)报道:

  http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/jan/29/single-photon-source-is-efficient-and-indistinguishable

  美国光学学会旗下的《光学与光子学新闻》(OPN)报道:

  http://www.osa-opn.org/home/newsroom/2016/january/micropillar_quantum_dot_single-photon_source

  2Physics科普网站:

  http://www.2physics.com/2016/02/single-photon-sources-combine-high.html

  《知识分子》科普推介:

  http://china.caixin.com/2016-02-29/100913979.html

  中国科学院:

  http://www.cas.cn/syky/201601/t20160127_4526315.shtml