Gần đây, nhóm điện toán lượng tử chấm lượng tử do Hu Chengyong dẫn đầu tại Học viện Khoa học Thông tin Lượng tử Bắc Kinh (sau đây gọi là "Học viện") đã hiện thực hóa một nguồn sáng lượng tử mới-là tia laser-chuyển đổi nguồn photon-đơn-bằng cách sử dụng hiệu ứng phi tuyến bão hòa và hiệu ứng chuyển đổi photon-đơn lẻ của các chấm lượng tử đơn lẻ. Nguồn này thể hiện thời gian kết hợp siêu dài (258±2 micro giây) và tính đồng nhất mạnh mẽ của photon, với hiệu suất của từng photon-đạt đến mức tối ưu của các nguồn photon phát xạ tự phát-dựa trên{10}}đơn lẻ thông thường. Nó hứa hẹn sẽ là nguồn sáng lượng tử tiêu chuẩn cho các ứng dụng internet lượng tử. Vào ngày 18 tháng 11 năm 2025, kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Optica với tiêu đề “Chuyển đổi ánh sáng laser thành các photon đơn lẻ với thời gian kết hợp siêu dài”.
Photon đóng vai trò là vật mang lý tưởng để truyền thông tin lượng tử và là phương tiện quan trọng để xử lý thông tin lượng tử. Các nguồn photon đơn lẻ tạo thành các thành phần cốt lõi của công nghệ lượng tử như điện toán lượng tử quang học, điện toán lượng tử phân tán, truyền thông lượng tử và đo lường độ chính xác lượng tử. Hiện tại, việc chuẩn bị nguồn photon-đơn chủ yếu dựa vào hai phương pháp kỹ thuật: một là phương pháp xác suất dựa trên chuyển đổi-giảm tham số tự phát (SPDC) hoặc trộn bốn-sóng tự phát (SFWM); phương pháp còn lại là các phương pháp xác định dựa trên sự phát xạ tự phát từ các hệ lượng tử-đơn lẻ, chẳng hạn như nguyên tử lạnh, bẫy ion, chấm lượng tử hoặc tâm màu. Trong những năm gần đây, các nguồn photon đơn{9}}loại chấm lượng tử-phát xạ đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc đạt được các nguồn photon-đơn lẻ lý tưởng, thể hiện độ tinh khiết-photon đơn lẻ gần 100% và khả năng nhận dạng photon. Tuy nhiên, các nguồn photon đơn{15}}dựa trên phát xạ vẫn gặp phải những hạn chế: bị hạn chế bởi thời gian sống của exciton gấp đôi, thời gian kết hợp{16}thứ tự đầu tiên của chúng cực kỳ ngắn (chỉ hàng chục đến hàng trăm pico giây) và nhận dạng photon dễ bị suy giảm do nhiễu điện tích và nhiễu quay. Sự phát triển của Internet lượng tử trong tương lai phụ thuộc vào giao tiếp lượng tử mạch lạc dựa trên sự giao thoa của hai-photon hoặc một{19}photon, đòi hỏi các nguồn photon đơn{20}}có độ kết hợp tuyệt vời và khả năng nhận dạng photon mạnh mẽ. Các nguồn photon đơn{23}}dựa trên phát xạ hiện đang gặp khó khăn trong việc đáp ứng đầy đủ các yêu cầu này. Mặc dù tia laser vốn có tính kết hợp vượt trội nhưng chúng không thể bị suy giảm trực tiếp về trạng thái{25}photon đơn lẻ bằng cách sử dụng các phần tử quang học tuyến tính.
Để giải quyết những thách thức này, nhóm nghiên cứu đã cộng tác với Viện Chất bán dẫn, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, đề xuất và hiện thực hóa phương pháp thứ ba để chuẩn bị nguồn photon đơn-photon: nguồn photon đơn-dựa trên chuyển đổi laser (LCSPS). Không giống như các cấu trúc khoang quang học vi mô một mặt-truyền thống thường được sử dụng trong các nguồn photon-đơn{6}}loại phát xạ, nhóm đã thiết kế một vi khoang quang học hai mặt-đối xứng [xem Hình 1(a)]. Cấu trúc này ngăn chặn hiệu quả sự tán xạ laser trong khoang mà không cần dựa vào các bộ lọc phân cực trực giao. Sau khi phản xạ trong hệ thống ghép vi khoang{11}}chấm lượng tử, tia laser được chuyển đổi trực tiếp thành một photon đơn [xem Hình 1(a)], thể hiện các đặc tính nổi bật sau: thời gian kết hợp cực-dài [258±2 μs, xem Hình. 2(b)], khả năng phân biệt photon mạnh mẽ [94,3±0,2%, xem Hình. 2(c)] và hoàn hảo độ tinh khiết photon-đơn [g(2)(0)=0.030±0,002, xem Hình. 1(e)]. Tất cả dữ liệu thể hiện kết quả đo thô.
Nguyên lý hoạt động của nguồn photon đơn-được chuyển đổi bằng laser có thể được giải thích một cách định tính dựa trên tính phi tuyến bão hòa và hiệu ứng chuyển đổi photon đơn- của các chấm lượng tử đơn lẻ: Khi một photon đơn lẻ tương tác và bị phản xạ bởi chấm lượng tử, các photon tới tiếp theo sẽ được truyền đi trong thời gian sống của exiton do chấm lượng tử đi vào trạng thái bão hòa. Quá trình này làm cho ánh sáng phản xạ thể hiện hành vi phản{4}}kết hợp, hiển thị các đặc điểm-photon đơn lẻ, trong khi ánh sáng truyền qua thể hiện hiệu ứng kết hợp, sở hữu các đặc tính đa{6}}photon. Cơ chế vật lý sâu cơ bản bắt nguồn từ sự giao thoa lượng tử giữa các trạng thái kết hợp (tức là tia laser) và trạng thái nhiều{10}photon. Quá trình giao thoa này ngăn chặn một cách hiệu quả khả năng các thành phần nhiều{12}photon xuất hiện trong trường ánh sáng phản xạ, biến đổi trường ánh sáng laser phản xạ thành các photon đơn lẻ.
Kế thừa sự kết hợp-thứ tự đầu tiên và khả năng nhận dạng photon mạnh mẽ của laser, các nguồn photon đơn-được chuyển đổi bằng laser-có thể được áp dụng rộng rãi trong nhiều giao thức truyền thông lượng tử dựa trên sự giao thoa-, radar lượng tử mảng-photon đơn pha-và các nguồn photon đơn{6}}chế độ-bị khóa-bị khóa. Chúng hứa hẹn sẽ là nguồn sáng lượng tử tiêu chuẩn cho Internet lượng tử trong tương lai.
Hình 1
(a) Sơ đồ cấu trúc và nguyên lý hoạt động của nguồn photon đơn-được chuyển đổi{1}}bằng laser; (b) Ảnh kính hiển vi điện tử quét của thiết bị; (c) Phổ phản xạ kết hợp ở các cường độ truyền động khác nhau, thể hiện tỷ lệ chuyển đổi photon đơn-là 50:1; (d) Giá trị 0 g(2)(0) của hàm tương quan bậc-thứ hai của trường ánh sáng phản xạ là hàm của độ lệch tia laze; (e) Hàm tương quan bậc hai- g(2)(t) của trường ánh sáng phản xạ ở cường độ truyền động thấp.
Hình 2 (a) Sự kết hợp bậc nhất-của nguồn photon-đơn lẻ được đặc trưng bởi phép đo giao thoa Mach-Zehnder; (b) Chứng minh rằng nguồn photon đơn-loại chuyển đổi laser-laser có cùng thời gian kết hợp với laser truyền động, đạt được thông qua phép đo giao thoa kế dị âm bị trì hoãn và các phép đo trùng khớp được giải quyết theo thời gian-; (c) Sự phát triển của khả năng hiển thị giao thoa hai photon với chênh lệch thời gian phát xạ, chứng tỏ tính đồng nhất mạnh mẽ của photon của nguồn.
Tác giả đầu tiên của bài báo này là Wang Mannan và Li Yanfeng, nghiên cứu sinh tại Viện Thông tin Lượng tử, cùng với tác giả tương ứng là Hu Chengyong, một nhà nghiên cứu tại cùng viện. Đồng{1}}đồng tác giả bao gồm Zeng Chuanyu, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Viện Thông tin Lượng tử; Huang Guoqi, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Bưu chính Viễn thông Bắc Kinh; các kỹ sư Liu Li, Wang Wenyan và Ji Weijie từ Viện Thông tin Lượng tử; cũng như nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Liu Hanqing, nhà nghiên cứu Ni Haiqiao và Niu Zhichuan từ Viện Chất bán dẫn, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc. Công trình này được hỗ trợ bởi Quỹ khoa học tự nhiên Bắc Kinh và Chương trình R&D trọng điểm quốc gia của Trung Quốc.
