突破量子通信瓶颈！德国团队研发出高性能通信波段单光子源

来自德国斯图加特大学与维尔茨堡大学团队宣布，他们成功演示了一种在通信 C 波段工作的高质量单光子源，实现了按需产生单光子，并取得接近 92% 的双光子干涉可见度。

这一结果被认为是面向可扩展光子量子计算和量子通信的重要进展。相关研究成果已发表在《Nature Communications》上（IT之家附 DOI:10.1038/s41467-026-68336-0）。

该研究领导者、斯图加特大学教授斯特凡妮 · 巴尔茨（Stefanie Barz）表示：“十多年来，缺乏一种高质量、可按需工作的通信 C 波段单光子源一直是量子光学实验室面临的主要问题，而我们的新技术现在消除了这一障碍。”

在量子技术中，光子的“不可区分性”至关重要。当多个光子在所有物理属性上完全一致时，它们才能发生高质量的量子干涉，从而增强或抑制特定测量结果。这类效应是量子计算和量子网络等新兴技术的基础。

论文第一作者、斯图加特大学研究人员尼科 · 豪泽（Nico Hauser）报告称，他们研制的光子源不仅能够按需产生光子，而且其工作波长与现有通信基础设施兼容，可满足实际应用。

为了实现可扩展的光子量子技术，光子源必须与光纤通信网络相兼容，这意味着需要在约 1550 纳米的通信 C 波段工作，该波段在石英光纤中的损耗最低。此前，基于量子点的光子源在较短波长范围（780–960 纳米）已能实现接近理想的光子特性，但要将这些性能扩展到通信波段一直存在困难。

目前常用的一种替代方案是自发参量下转换（SPDC），该方法可以产生高质量光子，但过程是随机的，无法预测光子产生的具体时间，因而难以同步多个光子源。相比之下，确定性光子源可以在触发时必然产生光子。虽然已有量子点器件可在通信 C 波段工作，但此前其双光子干涉可见度最高约为 72%，明显低于 SPDC 光子源的水平，也不足以满足高要求的量子协议。对此，巴尔茨表示：“我们的新器件现在打破了这一瓶颈。”

研究团队开发的新型光子源采用了嵌入在铟铝镓砷材料中的砷化铟量子点，并将其集成到环形布拉格光栅谐振腔中，以增强光子发射效率。研究人员系统比较了多种激发方案，发现通过晶格振动介导的激发方式，而非使用更高能量的光泵浦量子点，可以获得最佳效果。在这种工作模式下，团队实现了接近 92% 的原始双光子干涉可见度，这是目前在通信 C 波段确定性单光子源中报道的最高值。

研究人员指出，这一成果使确定性量子点光子源在性能上首次接近随机型 SPDC 光子源，同时保留了“按需产生光子”的关键优势。豪泽表示：“我们同时实现了确定性单光子产生、通信 C 波段发射以及高光子不可区分性，这将使需要大量同步光子的应用成为可能，包括基于测量的量子计算以及用于远距离通信的量子中继器。”

该研究由斯图加特大学与维尔茨堡大学合作完成，其中维尔茨堡团队在斯文 · 赫夫林（Sven Höfling）教授带领下负责量子点样品的制备。双方在 PhotonQ 项目框架下开展合作，目标是为新型实用光子量子处理器奠定基础。该处理器计划部署在斯图加特大学，并有望利用这种“按需定制”的光子释放光子量子计算的潜力。研究团队还表示，这类新型光子源将成为未来构建分布式量子计算网络的重要基础，并将在 Quantenrepeater.Net（QR.N）项目中发挥作用。

来源：IT之家

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