我国科学家研制高性能双光子发射器 让光子学会“成对”出场

来源：人民日报

照亮世界的光，在科学家眼中长什么样？

“光是量子化的，由一个个被称为光子的微小粒子组成。一个普通的灯泡，每秒钟向外发射的光子数量，可能比全世界所有海滩上的沙粒加起来还要多。”北京量子信息科学研究院（以下简称“北京量子院”）首席科学家袁之良说。

对于如此微小的粒子，能否让它们训练有素、步调一致？袁之良研究团队在固态量子光源领域取得重大突破，成功研制出一种高性能双光子发射器，相关成果在线发表于国际学术期刊《自然·材料》。

量子光源是量子技术的基础，但要实现纯净、高效的双光子发射一直是国际难题。以往，科学家想要得到一对相互关联的光子，通常使用激光照射非线性晶体，偶尔随机“撞”出一对光子。

“这是纯粹的概率事件。有时候一对都没有，有时候可能出来好几对，完全不受控制。”袁之良说。

研究团队另辟蹊径，巧妙利用量子点与微腔的耦合体系，通过“暗态”路径激发双激子态。对这一技术，袁之良用了一个生动的比喻，“相当于给光子修了一条秘密通道，让它们先在门后等待、集结，然后通过微腔这个特殊结构的引导，确保每对光子都能步调一致地‘携手出场’。”

北京量子院的实验室里，团队成员、助理研究员吴邦小心翼翼地拿出一块指甲盖大小的银灰色芯片。“这就是我们研发的量子光源芯片，微腔直径只有约2微米。”吴邦介绍，实验数据显示，该光源产生的光子对占比高达98.3%，收集效率达到29.9%。

一对对“训练有素”的光子，能用来做什么？

首先是量子通信。袁之良介绍，这两个光子天生就是“纠缠”的，无论相隔多远，只要测量其中一个的状态，另一个的状态就会瞬间确定。“这就像给它们各自绑定了‘身份证’，一个负责传递信息，另一个自动成为验证凭证，可以构建出理论上无法被窃听的安全通信网络。”袁之良说。

在量子成像和精密测量领域，这项成果也将发挥作用。由于两个光子总是同步产生、同步运动，科学家可以利用一个作为“探针”，另一个作为“参考信号”。“在复杂环境里，如果两个人戴着同一款会发光的帽子，你就能轻易地从人群中把他们识别出来。”吴邦解释，这种特性可以极大地去除背景噪声，实现突破经典散粒极限的超高分辨率成像。

“未来，不论是量子通信还是量子计算，把一个个节点连成网络都离不开量子光源。”袁之良说，“我们将继续加紧研究攻关，推动相关技术真正从实验室走向实际应用。”