最近、北京量子情報科学アカデミー（以下「アカデミー」という）の胡成勇氏が率いる量子ドット量子コンピューティング チームは、単一量子ドットの飽和非線形効果と単一光子スイッチング効果を利用して、新しい量子光源-レーザー-変換単一光子源--を実現しました。この光源は超長いコヒーレンス時間 (258±2 マイクロ秒) と堅牢な光子均一性を示し、単一光子性能は従来の自然放出-ベースの単一光子源の最適レベルに達しています。-量子インターネットアプリケーションの標準量子光源として期待されています。 2025 年 11 月 18 日、研究成果は「レーザー光を超長コヒーレンス時間の単一光子に変換する」というタイトルで Optica 誌に掲載されました。
光子は、量子情報伝送の理想的な伝達体として、また量子情報処理の重要な媒体として機能します。単一光子源は、光量子コンピューティング、分散量子コンピューティング、量子通信、量子精度測定などの量子技術の中核コンポーネントを形成します。現在、単一光子源の準備は主に 2 つの技術的アプローチに依存しています。1 つは自発パラメトリック ダウンコンバージョン (SPDC) または自発四波混合 (SFWM) に基づく確率的手法です。-もう 1 つは、冷原子、イオントラップ、量子ドット、カラーセンターなどの単一量子系からの自然放出に基づく決定論的方法です。{6}近年、放出型量子ドット単一光子源-は、理想的な単一光子源の実現に向けて大きく進歩しており、ほぼ 100% の単一光子純度および光子同一性を示しています。-しかし、発光ベースの単一光子源には依然として限界があります。励起子の寿命が 2 倍になるという制約があり、一次コヒーレンス時間は非常に短く (わずか数十から数百ピコ秒)、光子のアイデンティティは電荷ノイズやスピン ノイズによる劣化の影響を受けやすいです。将来の量子インターネット開発は、2 光子または単一光子干渉に基づくコヒーレントな量子通信に依存しており、優れたコヒーレンスと堅牢な光子同一性を備えた単一光子源が必要です。-放出-ベースの単一光子-源は現在、これらの要件を完全に満たすのに苦労しています。レーザーは本質的に優れたコヒーレンスを備えていますが、線形光学素子を使用して単一光子状態に直接減衰することはできません。-
これらの課題に対処するために、研究チームは中国科学院半導体研究所と協力し、単一光子源を準備するための 3 番目の方法であるレーザー変換-ベースの単一光子源（LCSPS）-を提案して実現しました。放出型単一光子源で一般的に使用される従来の片面光マイクロキャビティ構造とは異なり、チームは対称両面光マイクロキャビティを設計しました[図 1(a) を参照]。-この構造は、直交偏光フィルターに依存することなく、キャビティ内のレーザー散乱を効果的に抑制します。量子ドット-マイクロキャビティ結合システム内での反射後、レーザーは単一光子に直接変換され[図1(a)を参照]、次の優れた特性を示します:超長いコヒーレンス時間[258±2μs、図. 2(b)を参照]、堅牢な光子の識別性[94.3±0.2%、図. 2(c)を参照]、完全な単一光子純度[g(2)(0)=0.030±0.002、図. 1(e)を参照]。すべてのデータは生の測定結果を表します。
レーザー変換単一光子源の動作原理は、単一量子ドットの飽和非線形性と単一光子スイッチング効果に基づいて定性的に説明できます。単一光子が量子ドットと相互作用して量子ドットによって反射されると、量子ドットが飽和状態になるため、後続の入射光子は励起子の寿命内に透過されます。このプロセスにより、反射光は反コヒーレンス動作を示し、単一光子の特性を示します。一方、透過光はコヒーレンス効果を示し、多光子の特性を持ちます。-根底にある深層物理メカニズムは、コヒーレント状態（つまりレーザー）と多光子状態の間の量子干渉から生じます。-この干渉プロセスは、反射光フィールドに現れる多光子成分の確率を効果的に抑制し、反射レーザー光フィールドを単一光子に変換します。
レーザーの一次コヒーレンスと堅牢な光子同一性を継承したレーザー-変換単一光子源は、さまざまな干渉ベースの量子通信プロトコル、-光子フェーズド-アレイ量子レーダー、およびモード{6}}ロック単一光子-源に広く適用できます。-これらは、将来の量子インターネットの標準量子光源として期待されています。
図1
(a) レーザー変換された単一光子源の構造と動作原理の概略図。{0}{1}{1} (b) デバイスの走査型電子顕微鏡画像。 (c) 異なる駆動強度でのコヒーレント反射スペクトル。50:1の単一光子スイッチング比を実証。-。 (d) レーザー離調の関数としての反射光フィールドの二次相関関数のゼロ値 g(2)(0)。 (e) 低い駆動強度での反射ライトフィールドの二次相関関数 g(2)(t)。
図 2 (a) マッハツェンダー干渉法によって特徴付けられた単一光子源の一次コヒーレンス-。- (b) レーザー-変換-タイプの単一光子-源が駆動レーザーと同じコヒーレンス時間を共有することの実証。これは遅延ヘテロダイン干渉法と時間分解同時計数測定によって達成されます。- (c) 放射時間差による 2 光子干渉可視性の進化。光源の堅牢な光子の均一性を証明。
この論文の筆頭著者は、量子情報研究所の博士課程学生であるWang Mannan氏とLi Yanfeng氏であり、責任著者は同研究所の研究員であるHu Chengyong氏です。共著者には、量子情報研究所の博士課程学生、Zeng Chuanyu 氏が含まれます。- Huang Guoqi、北京郵電大学の博士課程の学生。量子情報研究所のエンジニア、Liu Li、Wang Wenyan、Ji Weijie。中国科学院半導体研究所の博士研究員Liu Hanqing氏、研究員Ni Haiqiao氏、Niu Zhichuan氏らも参加した。この研究は、北京自然科学財団と中国国家重点研究開発プログラムによって支援されました。
