微纳量子纠缠光源实现保真度创纪录的新研究

7月9日，《自然》在线发布了中山大学教授王雪华/刘进团队与合作伙伴的最新研究成果。他们创新性地提出了口腔诱导的自发双光子辐射方案，首次实现了与单光子辐射强度相同的自发双光子辐射，并成功开发了一种新型微纳量子纠缠光源，保真度高达0.994。

在量子力学验证、量子计算、通信和精确测量中，传统非线性自发参数下转换过程制备的缠绕光源起着关键作用，但由于概率光子的产生机制，存在性能瓶颈。自发双光子辐射作为另一种量子效应，早在20世纪60年代就被提出，但由于其实质性效率远低于单光子辐射，实验长期面临挑战。

“在过去的40年里，尽管世界上许多研究团队进行了各种实验，但这一领域仍然没有取得实质性的突破。”论文第一作者、中山大学副教授刘顺发表示，近年来，半导体材料和设备加工技术的突破为自发双光子辐射试验提供了机会，但由于量子辐射子退出和光学控制，其量子特性没有得到充分验证。

王雪华/刘进团队长期致力于光子辐射微纳控制和集成光量子器件研究。在国家重点R&D计划和国家自然科学基金的支持下，团队自主研发了多项核心技术，成功突破了高质量微腔制备、微腔与单量子辐射高精度对准、量子辐射相关控制等问题。同时，与中国科学院半导体研究所研究员牛智川团队和中山大学教授喻颖团队合作，开发了高质量的量子纳米精度延伸生长技术。

论文作者刘进告诉《中国科学报》，他的团队看到了国际前沿挑战，双光子辐射的高效控制和确定性，高保真度纠缠光源制备，提出了口腔诱导的自发双光子辐射方案，利用极高质量的光学微腔精细控制光子产生过程的微纳尺度，打破了传统认知，首次实现了与单光子辐射强度相同的自发双光子辐射，揭示了其量子关联特征，获得了极高的双光子符合强度。同时，首个量子点级联合振动泵方案，制定了一个新的纠缠光子源，用于根据需要构建纠缠保真度和创纪录。

据报道，这项研究面临两个关键挑战。首先，在50纳米以下的误差安装位置随机分布的纳米尺寸固体人造原子。μm直径微腔的指定位置，微腔频率与双光子辐射通道之间的频率偏差小于1GHz;第二，要对固体人工原子进行相关的光学操作，确定性地准备原子激发态，就像“光子节拍器”一样，使光子辐射保持同步。

这项研究为高保真纠缠光源和高纯度双光子态的准备开辟了新的道路，为了了解单光子水平的光与物质的非线性相互作用提供了新的思路，为探索更高水平的量子辐射效应提供了可靠的平台，将有助于开发新一代量子精密测量技术，构建可扩展的光量子信息处理芯片。