中国科研团队研发出纳米“双光子工厂”

xinwen.mobi · 发表于 2025-7-11 16:45:31

中国科研团队在量子光学领域取得重大突破，中山大学物理学院王雪华、刘进教授团队主导研发的纳米“双光子工厂”，于2025年7月9日在线发表于国际顶级期刊《自然》。该成果通过创新的腔诱导自发双光子辐射方案，在国际上首次实现与单光子辐射强度相当的双光子辐射，并制备出保真度高达99.4%的按需触发式量子纠缠光源，被审稿人评价为“双光子研究领域的突破性进展”。技术突破：从理论预言到实验可控# 1. 颠覆传统认知的效率飞跃自20世纪60年代理论预言以来，自发双光子辐射（STPE）因原子更倾向于单光子发射，产生概率长期低于0.1%，实验观测极其困难。中山大学团队通过设计超高品质光学微腔，在纳米尺度（约100-300纳米）精确调控光子产生过程，将双光子辐射效率从传统的不足0.1%大幅提升至约50%。这一突破彻底打破“双光子辐射必然远弱于单光子”的传统认知，使按需制备纠缠光子对成为可能。# 2. 量子纠缠的“工厂化”生产团队采用InAs量子点与微柱腔耦合结构，通过腔模共振设计（位于激子与双激子能级之间），构建出纳米级“光子生产线”。这种微腔不仅为双光子生成提供专属通道，还通过抑制单光子串级过程，实现了双光子辐射强度与单光子相当的突破性成果。实验中测得的二阶相关函数g(2)(0)高达22691，远超传统非线性光源，验证了双光子事件的高纯度和可控性。# 3. 高保真度的量子纠缠光源基于该技术制备的纠缠光子对保真度达99.4%，这意味着光子间“心灵感应”强度极高。通过Franson型干涉仪验证，光子对在能量-时间维度呈现显著纠缠特性，违背贝尔不等式达8个标准差，为量子通信的绝对安全性和量子计算的可靠性提供了核心支撑。核心技术：纳米尺度的光与物质相互作用# 1. 微纳加工与材料创新团队采用半导体材料生长与纳米加工技术，在InAs量子点表面集成微柱腔（直径约2.5微米），实现光场的三维强限制。这种设计结合“偶然连续域束缚态”（Accidental BIC）模式，将腔品质因子提升至10^4量级，同时保持微腔尺寸的小型化。此外，通过应力工程调控量子点能级，消除模式劈裂，确保纠缠光源的稳定性。# 2. 双光子共振激发机制区别于传统自发参量下转换（SPDC）光源，该方案利用双激子态到基态的直接跃迁，在脉冲激发下实现Rabi振荡，证实了双光子过程的量子相干性。实验中，双光子计数率最高达497.3 kHz，转换效率达0.9%，远超SPDC光源的效率水平。应用前景：量子技术的“基础设施”# 1. 量子通信与网络高保真纠缠光源可提升量子密钥分发的安全距离和抗干扰能力。例如，在城域量子通信网络中，该光源能实现百公里级纠缠分发，为构建“量子互联网”奠定基础。德国多特蒙德大学合作团队的理论支持，进一步优化了光源与光纤传输的兼容性。# 2. 量子计算与精密测量按需触发的纠缠光子对是线性光学量子计算的核心资源。团队计划利用该光源构建多光子纠缠态，用于量子算法加速和量子纠错。在精密测量领域，其可用于引力波探测、原子钟校准等，通过双光子干涉技术将测量精度提升至亚纳米级别。# 3. 光量子芯片集成该技术与CMOS工艺兼容，可嵌入硅基光子芯片。中山大学团队正与中科院半导体所合作，探索将量子点光源与微环谐振腔集成，实现片上多节点量子网络。这种集成化方案有望在5-10年内推动量子信息处理芯片的商业化应用。国际合作与学术价值此项工作由中山大学主导，联合中科院半导体所、天津大学、德国多特蒙德大学等机构共同完成。其中，天津大学提供的超导单光子探测器，为寿命测试提供了关键支持；德国团队则在量子光学理论建模中发挥重要作用。《自然》审稿人特别指出，该成果“实现了保真度创纪录的纠缠光子对”，其按需触发特性“为中性原子光量子网络提供了新接口”。未来方向：从实验室到产业化团队下一步将聚焦两大方向：一是通过提升腔品质因子（目标>10^5）和引入光子带隙结构，将双光子辐射效率逼近100%；二是开发电泵浦驱动方案，解决光泵浦功耗高的问题，为大规模集成铺路。此外，与科大国盾量子等企业的技术对接已启动，计划在2026年前推出首款基于该光源的量子通信模块原型机。这一突破标志着中国在量子光源领域从“跟跑”迈向“领跑”。正如论文第一作者刘顺发副教授所言：“我们打造的不仅是一个光子工厂，更是未来量子技术的基础设施。”其成果不仅为基础研究提供了全新平台，更将加速量子信息技术的实用化进程，在国家安全、信息科技、精密制造等领域产生深远影响。

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