中國團隊率先登頂：實現單光子源「三項全能」

01-26

題圖：潘建偉（右）、陸朝陽

導語：
在一場長達15年的國際競賽中，最近，中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽研究小組拔得頭籌，率先實現了同時兼備「三項全能」最優指標的單光子源，為實現大規模的光子糾纏和可實用量子信息技術開闢了一條新路。
這項工作1月14日在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發表。隨後，美國物理學會的《物理》(Physics）網站以「全能的單光子源」為題刊發了推介文章，《自然》（Nature）雜誌以「可實用化的單光子源」在其研究亮點欄目做了報道，英國物理學會《物理世界》（Physics World）和美國光學學會旗下的《光學與光子學新聞》（Optics & Photonics News）也做了長篇報道。
這個引發國際廣泛關注的「單光子源」到底是什麼？它有哪些性能、又有何應用？《知識分子》試圖一探究竟。

文| 林梅（《知識分子》特約撰稿人）

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對單光子的製備、操縱和測量是量子信息技術（如量子網路、量子計算）最基礎的部分。如果把大規模可實用化的光學量子信息處理器看成一幢大房子，那麼單光子就是一步一步壘成這個房子的磚頭。房子要造得高，磚頭的質量很關鍵。

優良、純凈、實用的單光子源是可擴展量子信息和量子計算繞不開的一個關卡。如今，它從理想變為現實，就像早些時候潘建偉、陸朝陽團隊「多自由度量子體系的隱形傳態」的實現一樣，不僅突破了以往技術的局限，也讓人們看到了量子信息技術大規模實用化的曙光。

對於未來可以真正用於可擴展、實用化的量子信息技術來說，所需的單光子發射器的優劣主要包括三個核心性能指標的考量：單光子性（Single-photon Purity）、全同性（Photon Indistinguishability）和提取效率（Extraction Efficiency）。光量子信息主要是利用量子干涉效應和量子糾纏等為基礎進行信息編碼、傳輸和處理的技術。而以上三項指標，與此息息相關。

什麼是「單光子性」呢？大家記不記得上小學的時候，下課鈴聲一響，咱們都找三兩個小夥伴一起出去玩兒。通常，自然界產生的光子也喜歡這樣「抱團兒」。可是一抱團兒科學家操縱起來就很難了。他們希望得到的光子像通過旋轉式柵門一樣，一個一個獨自走出來，便於進行操作。

上、中、下三束光子，區別在於，越往下，光子越喜歡「抱團兒」。量子信息需要的正是最上面的那種。

此外，光量子計算不可避免地需要控制邏輯門操作，光子與光子之間必須進行某種「對話」。可是靜質量為零、以光速飛行、神龍見首不見尾的單光子都氣質高冷，絕大多數情況下都獨來獨往，不和其他光子來往。但是，在真正覓得知音的特殊情況下，光子還是能夠和聊得來的同伴進行「對話」。對光子來說，「聊得來」是什麼意思呢？

1987年，美國羅切斯特大學的三位研究人員Chung-Ki Hong、Z.Y. Ou（區澤宇）和Leonard Mandel發現了一種雙光子量子干涉效應，實現了兩個單光子的「對話」【1】。這個過程的發生有一個至關重要的條件，就是兩個光子一定要「全同」；也就是說，從量子力學原理上，兩個光子一模一樣，根本不可能分得清誰是誰。

Hong-Ou-Mandel干涉效應原理圖。當兩個一模一樣的光子分別從上、下方向射向一個半透半反的分束器，結果存在1、2、3、4四種可能。其中，2、3這兩種情況在原理上都無法區別，而且相位相消，因而剩下1、4兩種可能：要麼都從上方走，要麼都從下方走。其實，Hong-Ou-Mandel干涉效應也進一步說明了光子不抱團兒的重要性——只有兩個單光子輸入分束器，該效應才存在。

至於提取效率呢？提取效率衡量的是從諧振腔跑出來到達第一級透鏡的光子數占產生光子數的比例。可想而知，當然是越大越好，因為對於N個光子的體系來說，總的效率是單個量子點提取效率的N次方，如果提取效率不夠大，總效率會非常小，大規模的應用也只能是空中樓閣啦。

三個指標同時達到優良，實現起來到底有多難呢？

在過去的將近二十年里，優良的單光子源是國際上許多小組努力的目標。2000-2001年，加州大學、劍橋大學和斯坦福大學等研究組實現了基於非共振激發量子點產生的單光子源【2-4】。量子點(Quantum Dot)是由分子束外延方法人工生長的納米尺寸原子團簇。由於材料性質，電子在各方向上的運動都受到囚禁，所以量子限域效應顯著，形成分立的能級。電子受到激發，在分立能級之間躍遷，就能發射我們需要的單光子。

之前非共振激發有著致命的缺陷。首先，它使得產生的光子頻譜加寬；其次，產生光的波長之所以會偏離激發光的波長，是因為激發到高能級的電子會先躍遷至附近的某個能級（即弛豫過程），再躍遷至低能級發射光子，而弛豫過程的時間人們無法控制，所以發射時間會有「抖動」，以至於到兩個原本需要「對話」的光子可能無法同時達到，壓根兒打不著照面兒。

採取共振激發方法（量子點產生的光子波長等於激發光波長）能克服這兩個問題。但是，其技術代價是，如何濾除比單光子信號強一百萬倍以上的激光背景。2009年，趙勇、陸朝陽等所在的英國劍橋大學卡文迪許實驗室Atatüre小組利用激發光和產生光的偏振性質不同來消除激光背景，觀測到了量子點熒光【5】。

但是，Atatüre團隊實現的單光子源採取的是連續激發，產生的光子效率低而且時間是隨機的，這無法在量子信息方面得到應用。因為若要光子發射器為我所用，人們需要一個控制光子的「開關」——我這廂一按「激發」，那廂光子就往外跑；我一按「停止」，發射器就不再發射光子。

這樣的「開關」在2013年由潘建偉、陸朝陽小組實現，他們首創量子點脈衝共振激發方法，實現了當時國際上品質最好的量子點單光子源，單光子性和全同性分別達到99.7%和97%【6】。但美中不足的是，提取效率只有6%，主要就是由於量子點材料折射率、平面腔結構設計等各方面技術限制。也就是說，前面提到的三個指標還是無法同時達到優良。

進一步的發展需要更好的半導體工藝。在該團隊最新的工作中，通過高精度分子束外延生長與納米刻蝕工藝結合，獲得了低溫下與量子點單光子頻率共振的高品質因子光學諧振腔。

一根根「柱子」就是光學諧振微腔，由一層層的「鏡面」構成。腔中的紅點就是量子點，量子點受激產生光子。完美的諧振腔設計保證光子達到我們需要的指標。

如果我們把腔中的紅點放大了看，就能看到量子點的真容，像下圖這樣。

紫紅色的部分就是利用高精度分子束外延生長技術製備的量子點。科研人員在納米尺度上控制砷化鎵和砷化銦，讓它們長成圖中的樣子，就是為了巧妙設計量子點的尺度和形狀，形成勢能壁壘，將電子和空穴束縛其中，砷化鎵和砷化銦原本都有各自的能帶結構，在這樣的勢肼中，連續的能帶變成了分立的能級，這就是受激輻射產生光子所需的二能級結構——電子吸收能量從基態躍遷至激發態，再通過受激輻射回到激發態，同時放出一個特定狀態的光子。

經過精心設計和多次嘗試，最終的綜合指標令人滿意，單光子性、全同性和提取效率分別達到了99.1%、98.5%和66%【7】。這是國際上首次能夠把這三項指標在同一個量子點上結合在一起，達到「三項全能」。

這項工作距離大規模光子糾纏還有多遠？這是很多人關心的問題。

雖然提取效率達到了66%（理想的水平實際應該可以達到85-99%），但最終被探測器探測到的光子只有20~30%，也就是說，探測效率還需要進一步提高。實現更高的提取和探測效率，將是量子信息技術下一階段中進行協同創新、系統集成要搶佔的高地，也是將量子技術推向實用化的必經之路。

潘建偉團隊估計，能操縱20-30個光子，量子模擬機就可以在波色取樣問題上實現與現有最好的商用經典計算機一樣的處理能力；由於並行處理能力，若能控制50個左右的光子，就可以在特定問題上跟目前最好的超級計算機——天河二號一較高下。那也許就是量子計算和經典計算「華山論劍」的激動時刻了。

（特别致謝：中科大上海研究院張文卓副研究員對本文亦有貢獻。）

參考文獻：
【1】C. K. Hong, Z. Y. Ou, and L. Mandel，Measurement of Subpicosecond Time Intervals Between Two Photons by Interference，Phys. Rev. Lett. 59, 2044（1987）
【2】P. Michler, A. Kiraz, C. Becher, W. V. Schoenfeld, P. M. Petroff, Lidong Zhang, E. Hu, A. Imamoglu, A Quantum Dot Single-Photon Turnstile Device, Science 290, 2282 (2000)
【3】C. Santori, M. Pelton, G. Solomon, Y. Dale, Y. Yamamoto, Triggered Single Photons from a Quantum Dot, Phys. Rev. Lett. 86, 1502 (2001)

【4】Z. Yuan, B.E. Kardynal, R.M. Stevenson, A.J. Shields, C.J. Lobo, K. Cooper, N.S. Beattie, D.A. Ritchie, M. Pepper Electrically Driven Single-Photon Source, Science 295, 102 (2002)
【5】A. N. Vamivakas, Y. Zhao, C.-Y. Lu, M. Atatüre, Spin-resolved quantum-dot resonance fluorescence, Nature Physics 5, 198-202 (2009)
【6】Y.-M. He, Y. He, Y.-J. Wei, D. Wu, M. Atature, C. Schneider, S. Hofling, M. Kamp, C.-Y. Lu, J.-W. Pan, On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability, Nature Nanotechnology 8, 213-217 (2013).
【7】X. Ding, Y. He, Z.-C. Duan, N. Gregersen, M.-C. Chen, S. Unsleber, S. Maier, C. Schneider, M. Kamp, S. H?fling, C.-Y. Lu, J.-W. Pan，On-Demand Single Photons with High Extraction Efficiency and Near-Unity Indistinguishability from a Resonantly Driven Quantum Dot in a Micropillar, Phys. Rev. Lett. 116, 020401 (2016)

（責任編輯陳曉雪）

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