Recent, echipa de calcul cuantic cu punct cuantic condusă de Hu Chengyong de la Academia de Științe a Informației Cuantice din Beijing (denumită în continuare „Academia”) a realizat o nouă sursă de lumină cuantică-o sursă cuantică{-convertită cu un singur-foton-prin utilizarea efectului neliniar saturat și a efectului de comutare cuantică a unei singure fotografii-. Această sursă prezintă un timp de coerență ultralung (258±2 microsecunde) și o omogenitate robustă a fotonului, cu performanța unui singur-foton atingând nivelul optim al surselor convenționale de emisie spontană-pe un singur-foton. Se promite ca sursă de lumină cuantică standard pentru aplicațiile de internet cuantică. Pe 18 noiembrie 2025, rezultatele cercetării au fost publicate în Optica sub titlul „Conversia luminii laser în fotoni unici cu timp de coerență ultralung”.
Fotonii servesc ca purtători ideali pentru transmiterea informațiilor cuantice și vehicule cruciale pentru procesarea informațiilor cuantice. Sursele unice-fotonice formează componentele de bază ale tehnologiilor cuantice, cum ar fi calculul cuantic optic, calculul cuantic distribuit, comunicarea cuantică și măsurarea de precizie cuantică. În prezent, pregătirea unei singure-surse fotonice se bazează în primul rând pe două abordări tehnice: una este metode probabilistice bazate pe conversia parametrică în jos-spontană (SPDC) sau amestecarea spontană cu patru-unde (SFWM); celălalt fiind metode deterministe bazate pe emisia spontană din sisteme cuantice unice-, cum ar fi atomi reci, capcane de ioni, puncte cuantice sau centre de culoare. În ultimii ani, sursele de fotoni-cuantic cuantic cu un singur-tip de emisie au făcut progrese semnificative în realizarea surselor ideale de-fotoni unici, prezentând o puritate și o identitate fotonică de aproape 100%-un singur foton. Cu toate acestea, sursele de fotoni-un singur-emisii se confruntă în continuare cu limitări: limitate de durata de viață dublă a excitonului, timpul de coerență al primului-ordin este extrem de scurt (doar zeci până la sute de picoseconde), iar identitatea fotonului este susceptibilă la degradarea din cauza zgomotului de încărcare și a zgomotului de spin. Dezvoltarea viitoare a internetului cuantic se bazează pe o comunicare cuantică coerentă bazată pe interferența cu doi-fotoni sau un singur-foton, care necesită surse de un singur-foton, cu o coerență excelentă și o identitate fotonică robustă. Sursele de fotoni-un singur-emisii se luptă în prezent să îndeplinească pe deplin aceste cerințe. Deși laserele au în mod inerent o coerență remarcabilă, ele nu pot fi atenuate direct la stări de un singur-foton folosind elemente optice liniare.
Pentru a aborda aceste provocări, echipa de cercetare a colaborat cu Institutul de Semiconductori, Academia Chineză de Științe, propunând și realizând o a treia metodă de pregătire a unei singure-surse fotonice: sursa de foton unic{{2}(LCSPS) bazată pe conversia laser-. Spre deosebire de structurile tradiționale de microcavități optice cu o singură față utilizate în mod obișnuit în sursele de fotoni cu un singur-tip de emisie, echipa a proiectat o microcavitate optică simetrică cu două laturi [vezi Figura 1(a)]. Această structură suprimă eficient împrăștierea laserului în interiorul cavității fără a se baza pe filtre de polarizare ortogonale. După reflectarea în sistemul de cuplare cu punct cuantic-microcavitate, laserul este convertit direct într-un singur foton [vezi Figura 1(a)], prezentând următoarele proprietăți remarcabile: un timp de coerență ultra{-lung [258±2 μs, vezi Fig. 2(b)], foton robust [924,30% vizibilitate. Fig. 2(c)] și puritatea perfectă-fotonului unic [g(2)(0){=0.030±0,002, vezi Fig{. 1(e)]. Toate datele reprezintă rezultate brute ale măsurătorilor.
Principiul de funcționare al sursei de foton unic-convertit cu laser-poate fi explicat calitativ pe baza neliniarității saturate și a efectelor de comutare a unui singur-foton ale punctelor cuantice unice: atunci când un singur foton interacționează cu și este reflectat de punctul cuantic, fotonii incidenti ulterioare sunt transmiși în timpul vieții cuantice din cauza intrării într-o stare de viață saturată. Acest proces face ca lumina reflectată să prezinte un comportament anti-coerență, afișând caracteristici unui singur-foton, în timp ce lumina transmisă prezintă efecte de coerență, având proprietăți multi-fotonice. Mecanismul fizic profund subiacent provine din interferența cuantică dintre stările coerente (de exemplu, laserul) și stările multi-fotonice. Acest proces de interferență suprimă în mod eficient probabilitatea apariției componentelor multi-fotonice în câmpul luminos reflectat, transformând câmpul luminos reflectat laser în fotoni unici.
Moștenind coerența de ordinul întâi și identitatea fotonică robustă a laserelor, sursele de fotoni-convertite cu laser unic-poate fi aplicate pe scară largă în diferite protocoale de comunicații cuantice bazate pe interferență-, radare cuantice cu un singur-foton în fază-și surse cuantice-.blocate în mod{7}. Ei sunt promițători ca sursă standard de lumină cuantică pentru viitorul internet cuantic.
Figura 1
(a) Schema structurii și principiului de funcționare a sursei fotone-convertite cu laser unic-; (b) Imaginea cu microscop electronic cu scanare a dispozitivului; (c) Spectre de reflexie coerente la diferite intensități de antrenare, demonstrând un raport de comutare a unui singur foton de 50:1-; (d) Valoarea zero g(2)(0) a funcției de corelație de ordinul al doilea-a câmpului luminos reflectat în funcție de detonarea laser; (e) Funcția de corelație de ordinul al doilea g(2)(t) a câmpului luminos reflectat la intensități reduse.
Figura 2 (a) Coerența de ordinul întâi a sursei unice-fotonice caracterizată prin interferometrie Mach-Zehnder; (b) Demonstrarea faptului că sursa de foton unic-de tip laser-conversie-împarte același timp de coerență ca și laserul de conducere, realizat prin interferometrie heterodină întârziată și măsurători de coincidență-rezolvate în timp; (c) Evoluția vizibilității interferenței cu doi-fotoni cu diferența de timp de emisie, care demonstrează omogenitatea robustă a fotonului sursei.
Primii autori ai acestei lucrări sunt Wang Mannan și Li Yanfeng, doctoranzi la Institutul de Informații Cuantice, cu autorul corespondent Hu Chengyong, cercetător la același institut. Printre co-autori se numără Zeng Chuanyu, doctorand la Institutul de Informații Cuantice; Huang Guoqi, doctorand la Universitatea de Poște și Telecomunicații din Beijing; inginerii Liu Li, Wang Wenyan și Ji Weijie de la Institutul de Informații Cuantice; precum și cercetătorul postdoctoral Liu Hanqing, cercetătorii Ni Haiqiao și Niu Zhichuan de la Institutul de Semiconductori, Academia Chineză de Științe. Această lucrare a fost susținută de Fundația de Științe Naturale din Beijing și de Programul național de cercetare și dezvoltare cheie din China.
