觀察者網(wǎng)14日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校潘建偉小組與其合作者，首次實(shí)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(xué)量子計(jì)算，特別是超越經(jīng)典計(jì)算能力的量子霸權(quán)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。研究成果以長文形式日前在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然·光子學(xué)》上在線發(fā)表。

圖1：量子點(diǎn)微腔。 本文圖自中國科技大學(xué)

單光子源是光學(xué)量子信息技術(shù)的核心資源。一個(gè)完美的單光子源需要同時(shí)滿足確定性偏振、高純度、高全同性和高效率這四個(gè)幾乎相互矛盾的嚴(yán)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(shí)用化量子技術(shù)中應(yīng)用。要實(shí)現(xiàn)完美的單光子源，還存在著兩個(gè)難題：一是量子點(diǎn)會(huì)隨機(jī)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(gè)難題成為多年來難以逾越的障礙。

解決這兩個(gè)關(guān)鍵問題需要理論和實(shí)驗(yàn)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(duì)稱性的方案，使腔模劈裂成兩個(gè)非簡并的垂直偏振的模式，從而選擇性地增強(qiáng)單一偏振的單光子。在實(shí)驗(yàn)上，研究組發(fā)展了垂直偏振無損消光技術(shù)，從而同時(shí)解決了上述的兩個(gè)難題，達(dá)到了“一石二鳥”的效果。在此基礎(chǔ)上，研究組分別在窄帶微柱和寬帶靶眼微腔中，實(shí)驗(yàn)制備同時(shí)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(biāo)的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了重要一步。

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

這項(xiàng)成果標(biāo)志著我國在可擴(kuò)展光學(xué)量子信息技術(shù)方面在國際上進(jìn)一步擴(kuò)大了領(lǐng)跑的優(yōu)勢(shì)。審稿人評(píng)價(jià)該工作“解決了一個(gè)長期存在的挑戰(zhàn)……是巨大的一步”“將有力地推進(jìn)研究”。

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