觀察者網(wǎng)14日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校潘建偉小組與其合作者，首次實現(xiàn)了確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，為光學量子計算，特別是超越經(jīng)典計算能力的量子霸權(quán)的實現(xiàn)奠定了堅實的科學基礎。研究成果以長文形式日前在國際權(quán)威學術(shù)期刊《自然·光子學》上在線發(fā)表。

圖1：量子點微腔。 本文圖自中國科技大學

單光子源是光學量子信息技術(shù)的核心資源。一個完美的單光子源需要同時滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率這四個幾乎相互矛盾的嚴苛條件。然而，以目前技術(shù)制備的單光子品質(zhì)差，無法在實用化量子技術(shù)中應用。要實現(xiàn)完美的單光子源，還存在著兩個難題：一是量子點會隨機發(fā)射兩種偏振的光子；二是共振激發(fā)需要消除背景激光。這兩個難題成為多年來難以逾越的障礙。

解決這兩個關鍵問題需要理論和實驗的同步創(chuàng)新。在理論上，中國科大研究組提出采用橢圓微腔打破對稱性的方案，使腔模劈裂成兩個非簡并的垂直偏振的模式，從而選擇性地增強單一偏振的單光子。在實驗上，研究組發(fā)展了垂直偏振無損消光技術(shù)，從而同時解決了上述的兩個難題，達到了“一石二鳥”的效果。在此基礎上，研究組分別在窄帶微柱和寬帶靶眼微腔中，實驗制備同時滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率的單光子源，再次刷新了單光子源綜合性能的國際記錄，為量子霸權(quán)目標的實現(xiàn)邁進了重要一步。

圖2：基于量子點的單光子源的兩個核心指標的綜合性能國際發(fā)展總結(jié)。

這項成果標志著我國在可擴展光學量子信息技術(shù)方面在國際上進一步擴大了領跑的優(yōu)勢。審稿人評價該工作“解決了一個長期存在的挑戰(zhàn)……是巨大的一步”“將有力地推進研究”。

論文鏈接：https://www./articles/s41566-019-0494-3