近期，《自然》期刊上刊登了中山大学物理学院王雪华和刘进教授领衔的研究团队取得的最新进展。该团队创新性地提出了一种全新的腔诱导自发双光子辐射方法，首次在国际上达到了与单光子辐射强度相媲美的自发双光子辐射水平，并成功研发出了一种保真度高达99.4%的按需触发式新型微纳量子纠缠光源。该成就对推动新一代量子精密测量技术的进步至关重要，同时，也为构建功能化的光量子信息处理芯片奠定了坚实基础。
论文第一作者刘顺发副教授开展量子光学测量实验。
在量子领域，一对光子如同心灵相通的孪生兄弟，即便相隔千里，一方被测量时，另一方即刻作出“回应”。这种奇妙的量子纠缠现象，在量子计算、量子通信以及量子精密测量等多个关键领域扮演着举足轻重的角色。与让光子随机配对相比，中大团队另辟蹊径，选择培育光子的“双胞胎”，确保它们从诞生之初就拥有“量子羁绊”，从而实现量子纠缠。
某些特定的物质，例如我们所使用的“人造原子”构造，存在一种可能性，即它们在同一瞬间释放出两个紧密相连的光子。这种现象被称作“自发双光子辐射”。对此，论文的首位作者，中山大学物理学院的刘顺发副教授进行了详细阐述。尽管在20世纪60年代，研究者们就已经提出了相关理论的预测，然而由于原子往往倾向于每次只发射一个光子，因此“双胞胎”光子的生成几率通常要远小于单个光子的生成几率，这使得在实验中几乎无法观察到。在过去的近40年间，尽管全球各地的研究团队进行了多种实验尝试，但该领域仍然未能实现实质性的进展。
目前，半导体材料生长及器件加工技术的重大进展，为自发双光子辐射实验的成功实施奠定了坚实基础。我们研发了超高品质的光学微腔，并在微观纳米级别上对光子产生过程进行了精确控制。刘顺发指出，这种光学微腔为“双胞胎”光子的生成构筑了一条专用路径，实验中成功将双光子的辐射效率从原本的不足0.1%提高至大约50%，进而使得制备出可控触发的纠缠光子对源成为现实。
刘顺发说：“我们成功构建了一个在纳米级别上运作的工厂，其专长于生产纠缠光子。”该研究依托于纳米级别的固态“人造原子”结构，创新性地提出了一种腔体诱导的自发双光子辐射方法，首次在世界上达到了与单光子辐射强度相匹敌的自发双光子辐射效果，打破了“光子辐射的二阶量子过程必然比一阶过程弱得多”的固有观念，并成功研制出保真度达到99.4%的按需激活的新型纠缠光子对产生器。这一指标揭示了我们的纠缠光子“心灵感应”能力极为强大，同时也昭示了该技术在增强量子通信的安全性、保障量子计算的可靠性以及提高量子计量的精度等方面具有显著的潜力。
《自然》杂志的审稿专家对该成果给予了高度赞扬，将其誉为“双光子研究领域的重大突破”，并指出它“成功实现了保真度达到历史最高水平的纠缠光子对”。
该研究由中山大学牵头完成，其中，中山大学物理学院的刘进教授担任论文的通讯作者，王雪华教授在此项工作中给予了关键性的指导，而刘顺发副教授则是论文的首位作者。中国科学院半导体研究所的牛智川、倪海桥、杨成奥研究员，以及博士刘汗青，还有中山大学的喻颖教授，在量子点生长领域给予了关键性的帮助。德国多特蒙德大学的博士生和教授团队，在量子光学理论方面给予了重要的支撑。天津大学的胡小龙教授和博士孟赟，为这项研究提供了用于寿命测试的超导单光子探测器。中山大学的研究生王杨鹏、博士李学诗以及博士后杨家炜，也对论文的实验部分做出了贡献。
刘顺发透露，在接下来的工作中，该团队计划运用研究过程中成功打造的高保真纠缠光源以及高纯度双光子源，致力于推进量子精密测量和量子通信应用领域的深入研究。
南方网、粤学习记者 刘单燕
通讯员 朱嘉豪 李建平
标签：多特蒙德应用科学大学
