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7月9日，《自然》雜志在線發(fā)表中山大學(xué)物理學(xué)院王雪華、劉進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的最新研究成果。團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的腔誘導(dǎo)自發(fā)雙光子輻射方案，在國際上率先實(shí)現(xiàn)與單光子輻射強(qiáng)度相當(dāng)?shù)淖园l(fā)雙光子輻射，研發(fā)出保真度高達(dá)99.4%的按需觸發(fā)式新型微納量子糾纏光源。這一成果為新一代量子精密測量技術(shù)的發(fā)展，以及功能化光量子信息處理芯片的構(gòu)建提供了關(guān)鍵支撐。

△自發(fā)雙光子輻射。（a）雙光子糾纏概念圖；（b）腔誘導(dǎo)的自發(fā)雙光子輻射光譜；（c）自發(fā)雙光子輻射的量子關(guān)聯(lián)特性。

在量子世界里，一對(duì)光子能像心靈感應(yīng)的雙胞胎——即使相隔萬里，測量其中一個(gè)，另一個(gè)瞬間“回應(yīng)”。這種神奇的量子糾纏，在量子計(jì)算、量子通信和量子精密測量等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

相較于讓光子隨機(jī)“結(jié)對(duì)子”，中大團(tuán)隊(duì)選擇直接培育光子“雙胞胎”，讓它們自誕生時(shí)便具備“量子羈絆”，實(shí)現(xiàn)量子糾纏。

“某些特殊材料，比如我們采用的‘人造原子’結(jié)構(gòu)，有概率在同一時(shí)刻發(fā)射兩個(gè)緊密關(guān)聯(lián)的光子，這種現(xiàn)象被稱為‘自發(fā)雙光子輻射’。”論文第一作者、中山大學(xué)物理學(xué)院副教授劉順發(fā)解釋道。

盡管在20世紀(jì)60年代，研究人員就已提出相關(guān)的理論預(yù)言，但由于原子總是傾向于一次只輻射一個(gè)光子，“雙胞胎”光子的產(chǎn)生概率通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單光子產(chǎn)生概率，實(shí)驗(yàn)上幾乎無法觀測。近40年來，盡管國際上眾多研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了多種實(shí)驗(yàn)嘗試，該領(lǐng)域仍未能取得實(shí)質(zhì)性突破。

△論文第一作者劉順發(fā)副教授開展量子光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)

如今，半導(dǎo)體的材料生長與器件加工技術(shù)的突破為自發(fā)雙光子輻射的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)提供了關(guān)鍵支持。“我們?cè)O(shè)計(jì)了超高品質(zhì)的光學(xué)微腔，并在微納尺度上精細(xì)調(diào)控光子的產(chǎn)生過程。”劉順發(fā)說，這種光學(xué)微腔為“雙胞胎”光子的產(chǎn)生搭建了專屬通道，在實(shí)驗(yàn)中將雙光子的輻射效率從小于0.1%提升到了約50%，從而使制備可控觸發(fā)的糾纏光子對(duì)源成為可能。

“我們就像在納米尺度上打造了一個(gè)專門生產(chǎn)糾纏光子的工廠。”劉順發(fā)表示。該研究基于納米尺寸的固態(tài)“人造原子”結(jié)構(gòu)，提出了一種腔誘導(dǎo)的自發(fā)雙光子輻射方案，在國際上率先實(shí)現(xiàn)了與單光子輻射強(qiáng)度相當(dāng)?shù)淖园l(fā)雙光子輻射，突破了“光子輻射的二階量子過程必然遠(yuǎn)弱于一階過程”的傳統(tǒng)認(rèn)知，成功制備出保真度高達(dá)99.4%的按需觸發(fā)式新型糾纏光子對(duì)源。“這一指標(biāo)意味著我們的糾纏光子‘心靈感應(yīng)’的強(qiáng)度極高，也顯示出這項(xiàng)技術(shù)在提升量子通信安全性、量子計(jì)算可靠性、量子計(jì)量精度等方面的巨大潛力。”

《自然》雜志審稿人高度評(píng)價(jià)這一成果，認(rèn)為其是“雙光子研究領(lǐng)域的突破性進(jìn)展”“實(shí)現(xiàn)了保真度創(chuàng)紀(jì)錄的糾纏光子對(duì)”。

劉順發(fā)表示，下一步，團(tuán)隊(duì)將利用研究中實(shí)現(xiàn)的高保真度糾纏光源和高純度雙光子源，繼續(xù)開展量子精密測量與量子通信應(yīng)用方面的研究。

（總臺(tái)記者 鄭澍 趙菁）