北京
图1.量子点双光子发射器的创新路径
近日，北京量子信息科学研究院(以下简称“量子院”)袁之良团队联合中国科学院半导体所牛智川课题组，在固态量子光源研究方面取得重要进展。研究团队成功制备出一种基于量子点-微柱腔耦合体系的高效率、高纯度双光子发射器。该器件利用创新的暗态双激子激发路径，并结合腔增强的简并双激子-激子级联辐射，大幅提升了双光子发射的效率与纯度。2026年3月2日，相关成果以“基于暗态双激子加载的Purcell增强型量子点双光子发射”(Purcell-enhanced two-photon emission from a quantum dot via dark-state biexciton loading )为题，在线发表于《自然·材料》(Nature Materials)。同时，研究团队受邀在Nature Materials撰写研究简讯“Efficient two-photon emission from a quantum dot”，进一步阐释了该技术的创新意义与应用前景。
确定性双光子态是量子计量、量子成像和量子生物医学应用中的关键资源。然而，传统基于非线性参量过程的双光子源本质上服从泊松统计，存在多光子事件概率不可忽略的问题。尽管单量子点可通过双激子级联辐射产生光子对，但如何高效填充双激子态并同时实现高亮度、高纯度的双光子发射，一直是该领域的核心挑战。
在本工作中，研究团队提出并实现了一种全新的解决方案(如图1)。团队将单个In(Ga)As量子点嵌入微柱光学腔中，利用p壳层共振激发技术，选择性地将载流子填充至长寿命的暗激子态，从而绕过亮激子的快速辐射复合通道，实现了对双激子态的高效、确定性加载。与此同时，该体系中的双激子与激子能级近乎简并，使得单一腔模可同时增强级联辐射中的两个光学跃迁，从而在保持高纯度的同时显著提升双光子发射效率。
实验结果(图2)显示：在弱连续光激发下，该光源的零延迟二阶关联函数g(2)(0)高达3966，表现出极强的双光子聚束效应;在脉冲激发模式下，基于二阶和三阶关联测量的光子数分布重建表明，98.3% 的发射光子以光子对形式出现，双光子发射效率在第一个物镜处达到29.9%。这是目前固态量子光源中双光子纯度与效率兼具的领先结果。
进一步的时间分辨关联测量揭示了该体系中的受激辐射机制：由于双激子与激子能级简并，第一个双激子光子的发射会加速后续激子光子的辐射，从而增强双光子的时间关联性。研究团队还建立了速率方程模型，成功复现了实验中观测到的功率依赖性和聚束行为，为理解双光子发射动力学提供了理论框架。
图2.高性能双光子源的实验结果
审稿人评价：“该结果无疑标志着向确定性光子数态生成迈出的重要一步，尤其是在单固态发射体中实现双光子Fock态这一极具挑战性的方向上。” “This work, without any doubt, marks a major advance towards deterministic generation of photon-number states, particularly in the challenging regime of two-photon Fock state generation from a single solid-state emitter.”
该论文第一作者为量子院助理研究员吴邦，通讯作者为量子院首席科学家袁之良，合作者还包括量子院高级工程师刘丽、博士后冒芯蕊、助理研究员王旭杰，以及中国科学院半导体所博士后刘汗青，研究员倪海桥和牛智川。该工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金、国家重点研发计划等项目的支持。
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