Recentment, l'equip d'informàtica quàntica de punts quàntics dirigit per Hu Chengyong a l'Acadèmia de Ciències de la Informació Quàntica de Beijing (d'ara endavant "l'Acadèmia") ha realitzat una nova font de llum quàntica-una font única-fotònica-convertida per làser mitjançant l'ús de l'efecte no lineal saturat i l'efecte de commutació quàntica d'una sola foto{{4}. Aquesta font presenta un temps de coherència ultrallarg (258 ± 2 microsegons) i una homogeneïtat de fotons robusta, amb un rendiment d'un sol-fotó que assoleix el nivell òptim de les fonts convencionals d'emissió espontània-basada en un sol-fotó. Té una promesa com a font de llum quàntica estàndard per a aplicacions d'Internet quàntiques. El 18 de novembre de 2025, els resultats de la investigació es van publicar a Optica sota el títol "Convertir la llum làser en fotons únics amb un temps de coherència ultralong".
Els fotons serveixen com a portadors ideals per a la transmissió d'informació quàntica i vehicles crucials per al processament d'informació quàntica. Les fonts-de fotons únics formen els components bàsics de les tecnologies quàntiques, com ara la computació quàntica òptica, la computació quàntica distribuïda, la comunicació quàntica i la mesura de precisió quàntica. Actualment, la preparació d'una font de fotó únic-depèn principalment de dos enfocaments tècnics: un són mètodes probabilístics basats en la conversió paramètrica de baixa-espontània (SPDC) o la mescla espontània de quatre-ones (SFWM); l'altre són mètodes deterministes basats en l'emissió espontània de sistemes quàntics únics-, com ara àtoms freds, trampes d'ions, punts quàntics o centres de color. En els darrers anys, les fonts de fotó únic de punt quàntic-de tipus d'emissió-han avançat significativament cap a l'assoliment de fonts-de fotons únics ideals, que mostren gairebé el 100% de puresa i identitat de fotós únics-. Tanmateix, les fonts d'un sol-fotó basades en emissions encara tenen limitacions: limitades pel doble de la vida útil de l'excitó, el seu temps de coherència de primer-ordre és extremadament curt (només de desenes a centenars de picosegons) i la identitat del foton és susceptible a la degradació del soroll de càrrega i el soroll de rotació. El futur desenvolupament d'Internet quàntic es basa en una comunicació quàntica coherent basada en la interferència de dos-fotòns o d'un sol-fotó, que exigeixen fonts d'un sol-fotó amb una coherència excel·lent i una identitat fotònica robusta. Actualment, les fonts de fotons únics-basades en emissions{23} lluiten per complir completament aquests requisits. Tot i que els làsers tenen inherentment una coherència excepcional, no es poden atenuar directament a estats d'un sol-fotó mitjançant elements òptics lineals.
Per abordar aquests reptes, l'equip d'investigació va col·laborar amb l'Institut de Semiconductors de l'Acadèmia Xinesa de Ciències, proposant i realitzant un tercer mètode per a la preparació d'una font única de -fotó: la font de fotó únic{{2}(LCSPS) basat en la conversió làser-. A diferència de les estructures tradicionals de microcavitat òptica d'un sol-cara que s'utilitzen habitualment en fonts de fotons d'un sol-tipus d'emissió, l'equip va dissenyar una microcavitat òptica simètrica de doble-cara [vegeu la figura 1 (a)]. Aquesta estructura suprimeix eficaçment la dispersió del làser dins de la cavitat sense dependre de filtres de polarització ortogonal. Després de la reflexió dins del sistema d'acoblament de microcavitat de punt quàntic, el làser es converteix directament en un sol fotó [vegeu la figura 1(a)], mostrant les següents propietats destacades: un temps de coherència ultra-llarg [258±2 μs, vegeu la figura . 2(b)], robusta capacitat de foton [924,30% indistinguish. Fig. 2(c)], i la puresa perfecta del -fotó [g(2)(0)=0.030±0,002, vegeu la figura {. 1(e)]. Totes les dades representen resultats de mesura en brut.
El principi de funcionament de la font de fotons únics-convertits per làser-es pot explicar qualitativament basant-se en la no linealitat saturada i els efectes de commutació de -fotons únics de punts quàntics únics: quan un sol fotó interacciona i es reflecteix pel punt quàntic, els fotons incidents posteriors es transmeten dins de l'estat de vida quàntic de l'excitació a causa de que entren en un estat de vida quàntic. Aquest procés fa que la llum reflectida mostri un comportament anti-coherent, mostrant característiques d'un sol-fotó, mentre que la llum transmesa presenta efectes de coherència, que posseeix propietats de diversos-fotons. El mecanisme físic profund subjacent prové de la interferència quàntica entre estats coherents (és a dir, làser) i estats multi-fotònics. Aquest procés d'interferència suprimeix de manera efectiva la probabilitat que apareguin components multi-fotònics al camp de llum reflectida, transformant el camp de llum làser reflectit en fotons individuals.
Heretant la coherència de primer -ordre i la identitat de fotons robusta dels làsers, les fonts de fotons únics-convertides per làser-es poden aplicar àmpliament en diversos protocols de comunicació quàntica basats en interferències-, radars quàntics de matriu-de fotons en fase-i{6}}mode{6}. Es prometen com a font de llum quàntica estàndard per a Internet quàntic futur.
Figura 1
(a) Esquema de l'estructura i el principi de funcionament de la font de fotons únic-convertida per làser-; (b) Imatge de microscopi electrònic d'exploració del dispositiu; (c) Espectres de reflexió coherents a diferents intensitats de conducció, demostrant una relació de commutació d'un sol -fotó de 50:1; (d) Valor zero g(2)(0) de la funció de correlació de segon -ordre del camp de llum reflectit com a funció de la desintonització del làser; (e) Funció de correlació de segon -ordre g(2)(t) del camp de llum reflectit a intensitats de conducció baixes.
Figura 2 (a) Coherència de primer-ordre de la font única de-fotó caracteritzada per interferometria de Mach-Zehnder; (b) Demostració que la font de fotó simple-conversió-de tipus làser comparteix el mateix temps de coherència que el làser de conducció, aconseguit mitjançant interferometria heterodina retardada i mesures de coincidència resoltes en el temps-; (c) Evolució de la visibilitat d'interferències de dos-fotons amb diferència de temps d'emissió, que demostra la robusta homogeneïtat de fotons de la font.
Els primers autors d'aquest article són Wang Mannan i Li Yanfeng, estudiants de doctorat de l'Institut d'Informació Quàntica, amb l'autor corresponent Hu Chengyong, investigador del mateix institut. Els co-autors inclouen Zeng Chuanyu, estudiant de doctorat a l'Institut d'Informació Quàntica; Huang Guoqi, estudiant de doctorat a la Universitat de Correus i Telecomunicacions de Beijing; els enginyers Liu Li, Wang Wenyan i Ji Weijie de l'Institut d'Informació Quàntica; així com l'investigador postdoctoral Liu Hanqing, els investigadors Ni Haiqiao i Niu Zhichuan de l'Institut de Semiconductors de l'Acadèmia Xinesa de Ciències. Aquest treball va comptar amb el suport de la Fundació de Ciències Naturals de Beijing i el Programa Nacional de R+D clau de la Xina.
