Nedávno tím kvantových bodových kvantových výpočtov pod vedením Hu Chengyonga na Pekinskej akadémii kvantovej informačnej vedy (ďalej len „Akadémia“) zrealizoval nový kvantový svetelný zdroj-laser-konvertovaný jeden-fotónový zdroj-využitím nasýteného nelineárneho efektu a efektu jedného kvanta jednej fotky{4}. Tento zdroj vykazuje ultra dlhý čas koherencie (258±2 mikrosekúnd) a robustnú homogénnosť fotónov, pričom výkon jednotlivých fotónov dosahuje optimálnu úroveň konvenčných jednofotónových zdrojov založených na spontánnej emisii-založených-fotónov. Je prísľubom ako štandardný kvantový svetelný zdroj pre kvantové internetové aplikácie. 18. novembra 2025 boli výsledky výskumu publikované v Optica pod názvom „Konverzia laserového svetla na jednotlivé fotóny s ultradlhou dobou koherencie“.
Fotóny slúžia ako ideálne nosiče na prenos kvantových informácií a kľúčové prostriedky na spracovanie kvantových informácií. Jednotlivé-fotónové zdroje tvoria základné komponenty kvantových technológií, ako sú optické kvantové výpočty, distribuované kvantové výpočty, kvantová komunikácia a kvantové presné meranie. V súčasnosti sa príprava jednofotónového zdroja primárne opiera o dva technické prístupy: jedným sú pravdepodobnostné metódy založené na spontánnej parametrickej down-konverzii (SPDC) alebo spontánnom štvor{5}}miešaní (SFWM); druhým sú deterministické metódy založené na spontánnej emisii z jednotlivých-kvantových systémov, ako sú studené atómy, iónové pasce, kvantové bodky alebo farebné centrá. V posledných rokoch dosiahli zdroje emisného -typu kvantovej bodky s jedným-fotónom významný pokrok smerom k dosiahnutiu ideálnych jedno{10}}fotónových zdrojov, ktoré vykazujú takmer 100 % jedno{12}}fotónovú čistotu a fotónovú identitu. Emisné-jednotlivé{15}}fotónové zdroje založené na emisiách však stále čelia obmedzeniam: sú obmedzené dvojnásobnou životnosťou excitónu, ich koherencia prvého{16}}radu je extrémne krátka (iba desiatky až stovky pikosekúnd) a identita fotónov je náchylná na degradáciu v dôsledku šumu náboja a šumu otáčania. Budúci vývoj kvantového internetu sa spolieha na koherentnú kvantovú komunikáciu založenú na dvoch-fotónových alebo jednofotónových{19}}interferenciách, vyžadujúcich jedno-fotónové zdroje s vynikajúcou koherenciou a robustnou identitou fotónov. Emisné-jednofotónové zdroje{23}}v súčasnosti majú problém úplne splniť tieto požiadavky. Hoci lasery majú vo svojej podstate vynikajúcu koherenciu, nemôžu byť priamo zoslabené na jednotlivé -fotóny pomocou lineárnych optických prvkov.
Na riešenie týchto výziev výskumný tím spolupracoval s Inštitútom polovodičov Čínskej akadémie vied a navrhol a zrealizoval tretiu metódu prípravy jedného -fotónového zdroja: laserovú konverziu-jednotného{2}}fotónového zdroja (LCSPS). Na rozdiel od tradičných jednostranných -štruktúr optických mikrodutín bežne používaných v emisných -jednotných{6}}fotónových zdrojoch, tím navrhol symetrickú obojstrannú -optickú mikrodutinu [pozri obrázok 1(a)]. Táto štruktúra účinne potláča rozptyl lasera v dutine bez spoliehania sa na ortogonálne polarizačné filtre. Po odraze v rámci kvantového bodového-mikrodutinového väzobného systému sa laser priamo premení na jeden fotón [pozri obrázok 1(a)], ktorý vykazuje tieto vynikajúce vlastnosti: ultra-dlhý čas koherencie [258±2 μs, pozri obrázok. 2(b)], robustný fotón, nerozlíšiteľnosť [94.2% [94.3% Obr. 2(c)] a dokonalá jedno-fotónová čistota [g(2)(0)=0.030±0,002, pozri obr. 1(e)]. Všetky údaje predstavujú nespracované výsledky meraní.
Princíp činnosti laserového -konvertovaného jedného{1}}fotónového zdroja možno kvalitatívne vysvetliť na základe nasýtenej nelinearity a efektu prepínania jednotlivých fotónov jednotlivých kvantových bodiek: Keď jeden fotón interaguje s kvantovou bodkou a je od nej odrazený, následné dopadajúce fotóny sa prenesú počas životnosti excitónu v dôsledku vstupu do kvantovej bodky. Tento proces spôsobuje, že odrazené svetlo vykazuje anti-koherenčné správanie, pričom vykazuje jedno-fotónové charakteristiky, zatiaľ čo prechádzajúce svetlo vykazuje koherentné efekty a má multi-fotónové vlastnosti. Základný hlboký fyzikálny mechanizmus pochádza z kvantovej interferencie medzi koherentnými stavmi (tj laser) a multi{10}}fotónovými stavmi. Tento interferenčný proces účinne potláča pravdepodobnosť, že sa v poli odrazeného svetla objavia viacfotónové zložky, čím sa pole odrazeného laserového svetla premení na jednotlivé fotóny.
Laserové-konvertované jednofotónové zdroje, ktoré zdedia prvý{0}}koherentnosť a robustnú fotónovú identitu laserov, môžu byť široko používané v rôznych-kvantových komunikačných protokoloch založených na interferencii, jedno-fotónových fázových-poľových kvantových radaroch a režimových{7}uzamčených zdrojoch{6}}. Sú prísľubom ako štandardný kvantový svetelný zdroj pre budúci kvantový internet.
Obrázok 1
(a) Schéma štruktúry a princíp činnosti laserového -konvertovaného jedno{1}}fotónového zdroja; (b) Snímka zariadenia zo skenovacieho elektrónového mikroskopu; (c) spektrá koherentného odrazu pri rôznych intenzitách pohonu, demonštrujúce jednofotónový prepínací pomer 50:1; (d) nulová hodnota g(2)(0) korelačnej funkcie druhého- poriadku odrazeného svetelného poľa ako funkcia rozladenia lasera; (e) Korelačná funkcia druhého-rádu g(2)(t) odrazeného svetelného poľa pri nízkych intenzitách.
Obrázok 2 (a) Koherencia prvého-rádu jedného-fotónového zdroja charakterizovaného Mach-Zehnderovou interferometriou; (b) Preukázanie toho, že laserový-konverzný{5}}typ jediného-fotónového zdroja zdieľa rovnaký čas koherencie ako riadiaci laser, dosiahnutý pomocou oneskorenej heterodynovej interferometrie a časovo{7}}rozlíšených koincidenčných meraní; (c) Evolúcia dvoj-fotónovej interferenčnej viditeľnosti s časovým rozdielom emisie, čo dokazuje robustnú fotónovú homogenitu zdroja.
Prvými autormi tohto článku sú Wang Mannan a Li Yanfeng, doktorandi na Inštitúte kvantových informácií, s korešpondujúcim autorom Hu Chengyongom, výskumníkom z toho istého inštitútu. Spolu-autorov patrí Zeng Chuanyu, doktorand na Inštitúte kvantových informácií; Huang Guoqi, doktorand na Pekinskej univerzite pôšt a telekomunikácií; inžinieri Liu Li, Wang Wenyan a Ji Weijie z Inštitútu kvantových informácií; ako aj postdoktorandský výskumník Liu Hanqing, výskumníci Ni Haiqiao a Niu Zhichuan z Inštitútu polovodičov Čínskej akadémie vied. Túto prácu podporila Pekinská nadácia pre prírodné vedy a Národný kľúčový program výskumu a vývoja Číny.
