最近，英国谢菲尔德大学物理与天文系Maurice S. Skolnick 教授和A. Mark Fox教授合作，在单光子发射上取得重大进展。他们利用珀塞尔效应（Purcell effect）将波导耦合光子晶体腔系统的辐射寿命（radiative lifetime）缩短至22.7 ps，保证系统可以同时发射20个寿命有限的光子，并且在时间尺度上能够保持高达93.9％的不可区分性（indistinguishablility）。相关工作以“High Purcell factor generation of indistinguishable on-chip single photons”为题，发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。

背 景 介 绍

光量子

中国道家，用“道”与“气”来解释万物，认为万物起源于“道”的流转与“气”的聚散。类似地，现代物理学上，用“波粒二象性”来解释微观世界里的万物，认为一切物质在微观世界均为高频率的振动波状态，不同的共振频率形成了不同的物质。

量子是光子、质子、中子、电子、介子等基本粒子的统称，是目前物理世界已知的最小基本微粒。日常生活中无处不在的光就由大量光量子组成。

光量子，简称光子，它是传递电磁相互作用的基本粒子，携带能量与动量，具有波粒二象性，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子技术（Quantum technology）的相关理论中，它又是电磁相互作用的媒介。

可以毫不夸张的说，量子技术是一项最具有颠覆性的技术，在人工智能算法、通信卫星的高度安全加密、量子计算、量子医学等领域都拥有着巨大的发展潜力。美国军方已经将量子技术视为新一代信息战和太空战的有力**，而量子网络的成功搭建与否直接关系到新一轮游戏的洗牌。例如，在过去的几十年中，使用光通过光纤来传输数据变得越来越普遍，但是目前每个脉冲包含了数百万个光子。这就意味着，原则上其中一部分光子可以在不被发现的情况下被截获或者窃听。虽然数据经过加密处理会变得相对安全，但如果“窃听者”能够拦截这些包含代码细节的信号，那么理论上他们就可以访问并破译其余的信息。而如果传递信息的光子是“一个一个地”发射的，那么任何窃听行为都会对单个的光子产生干扰，从而使得窃听者无处遁形。大量研究已经证明，使用单光子源的量子通信是绝对安全的，并且具有极高的处理效率。由此可见，理想的单光子源是量子通信的基础，可靠、稳定的单光子源将具有很高的应用价值。

单光子源

单光子源(Single photon source ，SPS)，即一次给定时间内辐射一个、且仅辐射一个光子的光源。

单光子是开发量子计算机和量子通信技术设备的关键一步;片上单光子源是集成光量子技术的关键组件。使用半导体微纳加工工艺可实现各种光量子器件在片上的集成，从而可对量子信息的载体即单光子进行处理、计算、传输和存储。集成光学量子芯片技术具有性能好、稳定性高、体积小、制造成本低等优点，是一种实现量子通信、量子计算和量子模拟等量子信息应用的重要技术手段，尤其对量子信息的安全传输具有重要作用。

近年来，集成量子光子学研究取得了巨大的进步，量子功能在玻色采样和干涉仪灵敏度的应用中不断地得到了证明。尽管光量子领域具有着广阔的发展前景，但片上单光子源存在的一些问题始终是量子技术应用的一大瓶颈。例如，尽管有研究者利用四波混频在片上实现了单光子源，但它的效率非常低；半导体量子点能够表现出近乎理想的单光子发射，但受附近蚀刻表面的影响，其发射效果往往无法达到理论要求。光源的集成也是一个主要的技术挑战，一直以来，人们往往利用Purcell效应来降低辐射寿命，尽管这种思路很好，但到目前为止，研究人员仅仅只能观察到一般程度的Purcell效应。

量子点

量子点（quantum dot）是把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上“束缚住”的半导体纳米结构。当外界施加一定的电场或光压，这种半导体纳米结构便会发出特定频率的光，且其频率会随着半导体尺寸的变化而变化。因此，人为地调节半导体的尺寸，就可以灵活地调控光发出的颜色。此外，这种纳米半导体还能够限制电子和电子-空穴的运动，与原子或分子的某些特性相似，因此被称为量子点。

量子点（图片来源于网络）

创 新 及 结 论

谢菲尔德大学的研究人员解决了一个量子物理学中的关键难题：在他们最新的研究中，采用Purcell效应，可以非常迅速地产生光子。他们利用π相位脉冲成功激发了几乎无背景噪音的脉冲共振荧光（resonance fluorescence），获得了极高重复频率的片上、按需单光子源。这种单光子源发射寿命有限的单光子，一次释放的数量多达20个光子，并且在时间尺度上仍保留了极高的不可分辨度(93.9%)。

他们把量子点纳米晶体放置在一个更大的“光子晶体微腔-半导体芯片”系统中，用激光轰击量子点使其吸收能量，这种能量以光子的形式发射。将纳米晶体放置在非常小的微腔内，使激光在其内部不断反射，从而加速了基于Purcell效应的光子的产生。但是携带数据信息的光子很容易与激光混淆，为解决这一问题，他们将光子从腔体和芯片内部分离出来，从而实现两种不同类型脉冲的分离。

通过这种方式，该研究团队成功地使光子发射速率比没有Purcell效应的速度快50倍。尽管这并不是迄今为止开发出的最快的光子脉冲，但是它具有一个重要的优势：生成的所有光子都是相同的，这对于许多的量子计算应用来说都是十分必要的。

这项技术可用于光纤电信系统的安全通信，尤其是对信息传输安全性要求极高的场所，如政府和****部门。谢菲尔德大学光学物理系教授A.Mark Fox表示：“采用光子传输数据，我们可以采用基本的量子物理定律保证安全性，因为任何测量或者‘读取’的行为都会改变它的特性。光子一旦受到干扰，数据将会遭到破坏并发出警报。”他补充说：“我们的方法也解决了一个困扰科学家们约20年之久的问题，即如何采用Purcell效应以一种高效的方式加速光子的生成。”

图 文 速 览

图一 波导耦合量子点-光子晶体腔系统

a，器件的扫描电子显微镜图像。

b，非共振激发下的高功率光致发光谱（λexc= 802nm）。

c，在非共振（蓝色）和共振（红色）激发下，在偏置 0.83V下测量的腔内QD的标准化光致发光衰变。

图二 双π脉冲共振荧光技术

a，测量原理；

b，量子点的共振荧光强度作为单脉冲的脉冲面积Θ的函数；

c，双π脉冲共振荧光测量：作为π脉冲之间的时间延迟Δt的函数的共振荧光强度。

图三 共振连续波激发

相干散射激光光子（IRRS）与总散射（Itotal = IRRS + ISE）的比率相对于Rabi频率和CW激发功率的函数曲线图。

图四 在共振π脉冲激励下波导耦合量子点发射的二阶相关性测量

a， 使用13 ps（灰色）或2.4 ps（蓝色）脉冲测量单光子纯度；

b，Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉测量相隔2 ns发射的光子的干涉可见度。

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来源：两江科技评论