Neseniai Pekino kvantinės informacijos mokslų akademijos (toliau – Akademija) Hu Chengyong vadovaujama kvantinių taškų kvantinių skaičiavimų komanda sukūrė naują kvantinį šviesos šaltinį-lazerį-konvertuotą vieną-fotonų šaltinį-, naudojant vieną perjungiantį vieną fotonų efektą ir vieną netiesinį sočiųjų fotonų efektą. kvantiniai taškai. Šiam šaltiniui būdingas itin ilgas koherencijos laikas (258±2 mikrosekundės) ir tvirtas fotonų homogeniškumas, o vieno-fotono našumas pasiekia optimalų įprastinių spontaninės spinduliuotės-vieno{10}}fotonų šaltinių lygį. Jis žada kaip standartinis kvantinės šviesos šaltinis kvantinėms interneto programoms. 2025 m. lapkričio 18 d. tyrimo rezultatai buvo paskelbti „Optica“ pavadinimu „Lazerio šviesos pavertimas pavieniais fotonais su itin ilgu koherencijos laiku“.
Fotonai yra idealūs kvantinės informacijos perdavimo nešėjai ir svarbiausios kvantinės informacijos apdorojimo priemonės. Pavieniai-fotonų šaltiniai sudaro pagrindinius kvantinių technologijų, tokių kaip optinis kvantinis skaičiavimas, paskirstytasis kvantinis skaičiavimas, kvantinis ryšys ir kvantinio tikslumo matavimas, komponentus. Šiuo metu vieno-fotonų šaltinio paruošimas visų pirma remiasi dviem techniniais metodais: vienas yra tikimybiniai metodai, pagrįsti spontanišku parametriniu žemyn-konversija (SPDC) arba spontanišku keturių{5}}bangų maišymu (SFWM); kiti yra deterministiniai metodai, pagrįsti spontanine emisija iš pavienių-kvantinių sistemų, tokių kaip šaltieji atomai, jonų gaudyklės, kvantiniai taškai ar spalvų centrai. Pastaraisiais metais emisijos-tipo kvantinio taško pavienio-fotono šaltiniai padarė didelę pažangą, kad būtų sukurti idealūs-vieno fotono šaltiniai, pasižymintys beveik 100 % vieno-fotono grynumo ir fotonų tapatumo. Tačiau emisija-pagrįsti vieno-fotono šaltiniai vis dar susiduria su apribojimais: dvigubai ilgesnis eksitono eksploatavimo laikas, jų pirmos eilės koherencijos laikas yra labai trumpas (tik nuo dešimčių iki šimtų pikosekundžių), o fotonų tapatybė gali pablogėti dėl krūvio ir sukimosi triukšmo. Ateities kvantinio interneto plėtra remiasi nuosekliu kvantiniu ryšiu, pagrįstu dviejų-fotonų ar vieno-fotonų trukdžiais, reikalaujančiais pavienių-fotonų šaltinių, pasižyminčių puikia darna ir tvirta fotonų tapatybe. Išmeta{22}}pagrįsti vieno{23}fotono šaltiniai šiuo metu sunkiai atitinka šiuos reikalavimus. Nors lazeriai iš prigimties pasižymi išskirtiniu darnumu, naudojant tiesinius optinius elementus jų negalima tiesiogiai susilpninti iki pavienių fotonų būsenų.
Siekdama išspręsti šiuos iššūkius, tyrėjų komanda bendradarbiavo su Kinijos mokslų akademijos Puslaidininkių institutu, siūlydama ir įgyvendindama trečiąjį vieno -fotonų šaltinio paruošimo metodą: lazerinį konvertavimą-pagrįstą vieno-fotonų šaltinį (LCSPS). Skirtingai nuo tradicinių vienpusių -optinių mikroertmių struktūrų, dažniausiai naudojamų emisijos-tipo vien-fotonų šaltiniuose, komanda sukūrė simetrišką dvipusę-optinę mikroertmę [žr. 1 paveikslą (a)]. Ši struktūra veiksmingai slopina lazerio sklaidą ertmėje, nesiremdama stačiakampiais poliarizacijos filtrais. Po atspindžio kvantinio taško{11}}mikrotraukos jungties sistemoje lazeris tiesiogiai paverčiamas vienu fotonu [žr. 1(a) pav.], pasižyminčiomis šiomis išskirtinėmis savybėmis: itin-ilgas koherencijos laikas [258±2 μs, žr. Pav{{16}(b) indist.], 3 ±2 %, tvirtumas [09 Pav Visi duomenys atspindi neapdorotus matavimo rezultatus.
Lazeriu{0}}konvertuoto vieno-fotono šaltinio veikimo principą galima kokybiškai paaiškinti remiantis prisotintu netiesiškumu ir pavienių-fotonų perjungimo efektais pavieniuose kvantiniuose taškuose: kai vienas fotonas sąveikauja su kvantiniu tašku ir yra jo atspindėtas, vėlesni kritimo fotonai perduodami į eksitoninę būseną, eksitono gyvenimo trukmę. Dėl šio proceso atsispindėjusi šviesa demonstruoja anti-koherencijos elgseną, rodydama vieno-fotono charakteristikas, o perduodama šviesa – koherencijos efektus, pasižyminčius kelių-fotonų savybėmis. Pagrindinis giluminis fizinis mechanizmas kyla dėl kvantinių interferencijos tarp koherentinių būsenų (ty lazerio) ir kelių fotonų būsenų. Šis trukdžių procesas veiksmingai slopina daugelio{12}}fotonų komponentų atsiradimo atspindėtos šviesos lauke tikimybę, paversdamas atspindėtą lazerio šviesos lauką į vieną fotoną.
Paveldėję pirmosios-eilės darną ir tvirtą lazerių fotonų tapatumą, lazeriu-konvertuoti vieno-fotono šaltiniai gali būti plačiai taikomi įvairiuose trukdžių-pagrįstuose kvantinio ryšio protokoluose, vieno -fotonų fazinio-masyvo{6}}. Jie žada kaip standartinis kvantinės šviesos šaltinis ateities kvantiniam internetui.
1 pav
a) Lazeriu{0}}konvertuoto vieno-fotono šaltinio struktūros ir veikimo principo schema; b) prietaiso skenuojantis elektroninio mikroskopo vaizdas; (c) koherentiniai atspindžio spektrai esant skirtingam pavaros intensyvumui, parodantys 50:1 vieno -fotono perjungimo santykį; d) atspindėtos šviesos lauko antrosios eilės koreliacijos funkcijos g(2)(0) nulinė vertė kaip lazerio derinimo funkcija; (e) antros eilės koreliacijos funkcija g(2)(t) atspindėtos šviesos lauko esant mažam pavaros intensyvumui.
2 pav. (a) Pirmos-vieno-fotonų šaltinio, apibūdinamo Mach-Zehnder interferometrija, eilės koherencija; (b) parodymas, kad lazerinio-konversijos-tipo vieno-fotono šaltinio koherentiškumo laikas yra toks pat kaip ir varančiojo lazerio, pasiektas naudojant uždelstą heterodino interferometriją ir laiko-sutampa matavimus; (c) Dviejų-fotonų trukdžių matomumo raida su emisijos laiko skirtumu, įrodanti tvirtą šaltinio fotonų homogeniškumą.
Pirmieji šio straipsnio autoriai yra Wang Mannan ir Li Yanfeng, kvantinės informacijos instituto doktorantai, kartu su atitinkamu autoriumi Hu Chengyong, to paties instituto tyrėju. Tarp bendraautorių- yra Kvantinės informacijos instituto doktorantas Zeng Chuanyu; Huang Guoqi, Pekino pašto ir telekomunikacijų universiteto doktorantas; inžinieriai Liu Li, Wang Wenyan ir Ji Weijie iš Kvantinės informacijos instituto; taip pat podoktorantas Liu Hanqingas, mokslininkai Ni Haiqiao ir Niu Zhichuan iš Kinijos mokslų akademijos Puslaidininkių instituto. Šį darbą parėmė Pekino gamtos mokslų fondas ir Kinijos nacionalinė pagrindinių mokslinių tyrimų ir plėtros programa.
