中國團隊率先登頂：實現(xiàn)單光子源“三項全能”
潘建偉（右）、陸朝陽
導(dǎo)語：
在一場長達15年的國際競賽中，最近，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽研究小組拔得頭籌，率先實現(xiàn)了同時兼?zhèn)洹叭椚堋弊顑?yōu)指標(biāo)的單光子源，為實現(xiàn)大規(guī)模的光子糾纏和可實用量子信息技術(shù)開辟了一條新路。
這項工作1月14日在《物理評論快報》（Physical Review Letters）上發(fā)表。隨后，美國物理學(xué)會的《物理》(Physics）網(wǎng)站以“全能的單光子源”為題刊發(fā)了推介文章，《自然》（Nature）雜志以“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(xué)會《物理世界》（Physics World）和美國光學(xué)學(xué)會旗下的《光學(xué)與光子學(xué)新聞》（Optics & Photonics News）也做了長篇報道。
這個引發(fā)國際廣泛關(guān)注的“單光子源”到底是什么？它有哪些性能、又有何應(yīng)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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對單光子的制備、操縱和測量是量子信息技術(shù)（如量子網(wǎng)絡(luò)、量子計算）最基礎(chǔ)的部分。如果把大規(guī)?？蓪嵱没墓鈱W(xué)量子信息處理器看成一幢大房子，那么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(zhì)量很關(guān)鍵。
優(yōu)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(guān)卡。如今，它從理想變?yōu)楝F(xiàn)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(tài)”的實現(xiàn)一樣，不僅突破了以往技術(shù)的局限，也讓人們看到了量子信息技術(shù)大規(guī)模實用化的曙光。
對于未來可以真正用于可擴展、實用化的量子信息技術(shù)來說，所需的單光子發(fā)射器的優(yōu)劣主要包括三個核心性能指標(biāo)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(yīng)和量子糾纏等為基礎(chǔ)進行信息編碼、傳輸和處理的技術(shù)。而以上三項指標(biāo)，與此息息相關(guān)。
什么是“單光子性”呢？大家記不記得上小學(xué)的時候，下課鈴聲一響，咱們都找三兩個小伙伴一起出去玩兒。通常，自然界產(chǎn)生的光子也喜歡這樣“抱團兒”?？墒且槐F兒科學(xué)家操縱起來就很難了。他們希望得到的光子像通過旋轉(zhuǎn)式柵門一樣，一個一個獨自走出來，便于進行操作。
上、中、下三束光子，區(qū)別在于，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”?？墒庆o質(zhì)量為零、以光速飛行、神龍見首不見尾的單光子都?xì)赓|(zhì)高冷，絕大多數(shù)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”是什么意思呢？
1987年，美國羅切斯特大學(xué)的三位研究人員Chung-Ki Hong、Z.Y. Ou（區(qū)澤宇）和Leonard Mandel發(fā)現(xiàn)了一種雙光子量子干涉效應(yīng)，實現(xiàn)了兩個單光子的“對話”【1】。這個過程的發(fā)生有一個至關(guān)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(xué)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(yīng)原理圖。當(dāng)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(jié)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(qū)別，而且相位相消，因而剩下1、4兩種可能：要么都從上方走，要么都從下方走。其實，Hong-Ou-Mandel干涉效應(yīng)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(yīng)才存在。
至于提取效率呢？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(shù)占產(chǎn)生光子數(shù)的比例?？上攵?，當(dāng)然是越大越好，因為對于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(guī)模的應(yīng)用也只能是空中樓閣啦。
三個指標(biāo)同時達到優(yōu)良，實現(xiàn)起來到底有多難呢？
在過去的將近二十年里，優(yōu)良的單光子源是國際上許多小組努力的目標(biāo)。2000-2001年，加州大學(xué)、劍橋大學(xué)和斯坦福大學(xué)等研究組實現(xiàn)了基于非共振激發(fā)量子點產(chǎn)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。由于材料性質(zhì)，電子在各方向上的運動都受到囚禁，所以量子限域效應(yīng)顯著，形成分立的能級。電子受到激發(fā)，在分立能級之間躍遷，就能發(fā)射我們需要的單光子。
之前非共振激發(fā)有著致命的缺陷。首先，它使得產(chǎn)生的光子頻譜加寬；其次，產(chǎn)生光的波長之所以會偏離激發(fā)光的波長，是因為激發(fā)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(fā)射光子，而弛豫過程的時間人們無法控制，所以發(fā)射時間會有“抖動”，以至于到兩個原本需要“對話”的光子可能無法同時達到，壓根兒打不著照面兒。
采取共振激發(fā)方法（量子點產(chǎn)生的光子波長等于激發(fā)光波長）能克服這兩個問題。但是，其技術(shù)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(xué)卡文迪許實驗室Atatüre小組利用激發(fā)光和產(chǎn)生光的偏振性質(zhì)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(xiàn)的單光子源采取的是連續(xù)激發(fā)，產(chǎn)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(yīng)用。因為若要光子發(fā)射器為我所用，人們需要一個控制光子的“開關(guān)”——我這廂一按“激發(fā)”，那廂光子就往外跑；我一按“停止”，發(fā)射器就不再發(fā)射光子。
這樣的“開關(guān)”在2013年由潘建偉、陸朝陽小組實現(xiàn)，他們首創(chuàng)量子點脈沖共振激發(fā)方法，實現(xiàn)了當(dāng)時國際上品質(zhì)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%，主要就是由于量子點材料折射率、平面腔結(jié)構(gòu)設(shè)計等各方面技術(shù)限制。也就是說，前面提到的三個指標(biāo)還是無法同時達到優(yōu)良。
進一步的發(fā)展需要更好的半導(dǎo)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(jié)合，獲得了低溫下與量子點單光子頻率共振的高品質(zhì)因子光學(xué)諧振腔。
一根根“柱子”就是光學(xué)諧振微腔，由一層層的“鏡面”構(gòu)成。腔中的紅點就是量子點，量子點受激產(chǎn)生光子。完美的諧振腔設(shè)計保證光子達到我們需要的指標(biāo)。
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(shù)制備的量子點?？蒲腥藛T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(shè)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(jié)構(gòu)，在這樣的勢肼中，連續(xù)的能帶變成了分立的能級，這就是受激輻射產(chǎn)生光子所需的二能級結(jié)構(gòu)——電子吸收能量從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，再通過受激輻射回到激發(fā)態(tài)，同時放出一個特定狀態(tài)的光子。
經(jīng)過精心設(shè)計和多次嘗試，最終的綜合指標(biāo)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(biāo)在同一個量子點上結(jié)合在一起，達到“三項全能”。
這項工作距離大規(guī)模光子糾纏還有多遠(yuǎn)？這是很多人關(guān)心的問題。
雖然提取效率達到了66%（理想的水平實際應(yīng)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(xiàn)更高的提取和探測效率，將是量子信息技術(shù)下一階段中進行協(xié)同創(chuàng)新、系統(tǒng)集成要搶占的高地，也是將量子技術(shù)推向?qū)嵱没谋亟?jīng)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(xiàn)與現(xiàn)有最好的商用經(jīng)典計算機一樣的處理能力；由于并行處理能力，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(jīng)典計算“華山論劍”的激動時刻了。
（特別致謝：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(zé)任編輯 陳曉雪）
