中國(guó)科大首次實(shí)現(xiàn)高效率單光子源 為實(shí)現(xiàn)通用光量子計(jì)算奠定關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)

中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授陸朝陽(yáng)、霍永恒等在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)效率超越可擴(kuò)展線性光量子計(jì)算損失容忍閾值的高性能單光子源，綜合指標(biāo)達(dá)到國(guó)際最先進(jìn)水平，為未來(lái)實(shí)現(xiàn)通用光量子計(jì)算奠定了關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。2月28日，相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然-光子學(xué)》。

單光子源系統(tǒng)示意圖。中國(guó)科大供圖

審稿人高度評(píng)價(jià)這項(xiàng)研究工作，認(rèn)為“實(shí)現(xiàn)光源系統(tǒng)效率高于光量子計(jì)算中損耗容忍閾值是一個(gè)里程碑”，“這些結(jié)果無(wú)疑是朝著理想單光子源邁出的又一大步”。

光子作為量子信息處理的重要載體，具有速度快、室溫操作、抗環(huán)境干擾強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，但光子易損失的物理特性一直是大規(guī)模光量子計(jì)算的核心挑戰(zhàn)。理論表明，單光子源的效率必須高于2/3的損失容忍閾值，可擴(kuò)展的線性光量子計(jì)算才具備可行性。然而，歷經(jīng)近半個(gè)世紀(jì)的技術(shù)攻關(guān)，此前所有確定性全同單光子源的效率始終未能突破該閾值，成為制約光量子計(jì)算發(fā)展的關(guān)鍵障礙。

為攻克該難題，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種可調(diào)諧的開放式光學(xué)微腔，實(shí)現(xiàn)了量子點(diǎn)與微腔在諧振頻率及空間定位的雙重精準(zhǔn)耦合，解決了傳統(tǒng)固定式微腔的失諧難題。

此外，團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種脈沖整形激發(fā)技術(shù)，使單光子源的整體性能得到顯著提升。該單光子源的單光子性能優(yōu)于98.0%，光子全同性優(yōu)于98.6%，系統(tǒng)效率達(dá)到71.2%，提取效率達(dá)到80.6%，首次突破了2/3的損失容忍閾值，并實(shí)現(xiàn)了1.89分貝的強(qiáng)度壓縮。相關(guān)綜合指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際最先進(jìn)水平。