中科大团队实现综合性能国际最优的单光子源

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最近，中国科技大学的潘建伟和卢朝阳在世界上首次实现了基于半导体量子点的高效率、高各向同性单光子源，综合性能达到了国际最佳，为实现基于固态系统的大规模光子纠缠和量子信息技术奠定了科学基础。国际学术期刊《物理评论快报》和《自然》最近介绍了这一成就。

据报道，量子点是通过分子束外延制备的半导体量子器件，也被称为“人造原子”。原则上，量子点可以为量子信息技术提供理想的单光子源。为了在可扩展和实用的量子信息技术中使用，单光子器件必须满足三个核心性能指标:单光子、高各向同性(即基本粒子的内在性质完全相同)和高提取效率。自2000年以来，许多国际研究机构对量子点的光学调控进行了深入的探索，但是这三个核心指标并没有同时达到，这已经成为固态量子光学领域15年来的一个突出的重大挑战。

2013年，潘剑炜和卢朝阳首创量子点脉冲共振激发，实现了当时世界上最好的各向同性单光子源。然而，由于量子点平面腔结构的限制，以往实验中的荧光收集效率较低。为了大大提高荧光提取的效率，他们最近通过结合高精度分子束外延生长和纳米刻蚀工艺，获得了一种在低温下与量子点单光子频率共振的高品质因数光学谐振腔。结果表明，实验产生的单光子源提取效率达到66%，单光子特性优于99.1%，各向同性优于98.6%。它在世界上首次同时解决了单光子源的三个关键问题，成为了世界上综合性能最好的单光子源。

据了解，通过本实验实现的量子点单光子源的亮度比世界上基于参量下转换的最佳触发单光子的亮度高10倍，并且具有近乎完美的各向同性，并且所需的激光泵浦功率减少了1000万倍(在纳瓦数量级)。这种量子点单光子源将来可以应用于大规模的光子纠缠，进一步推动多光子纠缠和干涉测量的发展。

1月15日，《物理评论快报》以“编辑推荐”的形式发表了研究成果，并在美国物理学会“物理学”网站上写了一篇文章。英国杂志《自然》也在最新一期的《研究集锦》中对“实用单光子源”做了特别报道。