新型量子纠缠光源，中山大学科研团队研发出纳米“双光子工厂”

近日，《自然》杂志（Nature）在线发表中山大学物理学院王雪华、刘进教授团队主导的最新研究成果。该团队提出一种全新的腔诱导自发双光子辐射方案，在国际上率先实现与单光子辐射强度相当的自发双光子辐射，研发出保真度高达99.4%的按需触发式新型微纳量子纠缠光源。

记者了解到，这一成果突破“光子辐射的二阶量子过程必然远弱于一阶过程”的传统认知，并为新一代量子精密测量技术的发展，以及功能化光量子信息处理芯片的构建提供关键支撑。

在量子世界里，一对光子能像心灵感应的双胞胎——即使相隔万里，测量其中一个，另一个瞬间“回应”。这种神奇的量子纠缠，在量子计算、量子通信和量子精密测量等多个领域发挥着至关重要的作用。

该研究基于纳米尺寸的固态“人造原子”结构，相较于让光子随机“结对子”，中山大学团队选择直接培育光子“双胞胎”，让它们自诞生时便具备“量子羁绊”，实现量子纠缠。

“某些特殊材料，比如我们采用的‘人造原子’结构，有概率在同一时刻发射两个紧密关联的光子，这种现象被称为‘自发双光子辐射’。”论文第一作者、中山大学物理学院副教授刘顺发解释道。

尽管在20世纪60年代，研究人员就已提出相关的理论预言，但由于原子总是倾向于一次只辐射一个光子，“双胞胎”光子的产生概率通常远远低于单光子产生概率，实验上几乎无法观测。

近40年来，尽管国际上众多研究团队进行多种实验尝试，该领域仍未能取得实质性突破。如今，半导体的材料生长与器件加工技术的突破为自发双光子辐射的实验实现提供关键支持。

“我们设计了超高品质的光学微腔，并在微纳尺度上精细调控光子的产生过程。”刘顺发介绍，这种光学微腔为“双胞胎”光子的产生搭建专属通道，在实验中将双光子的辐射效率从小于0.1%提升到约50%，从而使制备可控触发的纠缠光子对源成为可能。

“就像在纳米尺度上打造了一个专门生产纠缠光子的工厂。”刘顺发说，“这一指标意味着我们的纠缠光子‘心灵感应’的强度极高，也显示出这项技术在提升量子通信安全性、量子计算可靠性、量子计量精度等方面的巨大潜力。”

《自然》杂志审稿人高度评价这一成果，认为其是“双光子研究领域的突破性进展”，且“实现了保真度创纪录的纠缠光子对”。

据悉，该工作由中山大学主导完成，中山大学物理学院教授刘进为论文通讯作者，中山大学物理学院教授王雪华对该工作提供重要指导，中山大学物理学院副教授刘顺发为论文第一作者。

中科院半导体所研究员牛智川、倪海桥、杨成奥，博士刘汗青以及中山大学教授喻颖在量子点生长方面提供重要支持，德国多特蒙德大学博士生 Yasser Saleem和教授 Moritz Cygorek在量子光学理论方面提供重要支持，天津大学教授胡小龙与博士孟赟为该工作提供用于寿命测试的超导单光子探测器，中山大学博士生王杨鹏、博士毕业生李学诗、博士后杨家炜对该论文的实验部分亦有贡献。

刘顺发透露，下一步，其团队将利用研究中实现的高保真度纠缠光源和高纯度双光子源，继续开展量子精密测量与量子通信应用方面的研究。

（中山大学供图）

编辑 李璐 审读 张雪松 二审 党毅浩 三审 陈晨