中經(jīng)聯(lián)播7月11日中山訊（張力 陳一夫 崔威漢）在量子世界的奇妙法則下，一對(duì)光子即使相隔萬(wàn)里也能瞬間“心靈感應(yīng)”，而中國(guó)科學(xué)家剛剛在納米尺度上建成了專門制造這種“量子雙胞胎”的先進(jìn)工廠。
中山大學(xué)物理學(xué)院王雪華、劉進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)提出全新的腔誘導(dǎo)自發(fā)雙光子輻射方案，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)與單光子輻射強(qiáng)度相當(dāng)?shù)淖园l(fā)雙光子輻射，研發(fā)出保真度高達(dá)99.4%的按需觸發(fā)式新型微納量子糾纏光源。
這項(xiàng)突破性成果于7月9日在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然》雜志，為新一代量子精密測(cè)量技術(shù)發(fā)展和功能化光量子信息處理芯片構(gòu)建提供了關(guān)鍵支撐。
量子世界的“心靈感應(yīng)”
在量子物理領(lǐng)域，糾纏光子對(duì)被譽(yù)為“幽靈般的超距作用”。一對(duì)糾纏光子即使相隔萬(wàn)里，測(cè)量其中一個(gè)的狀態(tài)，另一個(gè)會(huì)瞬間“回應(yīng)”。
這種神奇現(xiàn)象被愛因斯坦稱為“鬼魅般的超距作用”，如今已成為量子計(jì)算、量子通信和量子精密測(cè)量的核心資源。
傳統(tǒng)量子光源主要通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程產(chǎn)生光子對(duì)。然而這種方法存在根本局限：光子對(duì)是隨機(jī)“結(jié)對(duì)子”產(chǎn)生的，效率低且不可控。
近40年來(lái)，國(guó)際上眾多研究團(tuán)隊(duì)嘗試突破這一瓶頸，但始終未能取得實(shí)質(zhì)性突破。
中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)選擇了一條創(chuàng)新路徑：直接培育光子“雙胞胎”，讓它們自誕生時(shí)便具備“量子羈絆”。
“某些特殊材料有概率在同一時(shí)刻發(fā)射兩個(gè)緊密關(guān)聯(lián)的光子，這種現(xiàn)象被稱為‘自發(fā)雙光子輻射’?！闭撐牡谝蛔髡摺⒅猩酱髮W(xué)物理學(xué)院副教授劉順發(fā)解釋道。
六十年理論預(yù)言終成現(xiàn)實(shí)
自發(fā)雙光子輻射的理論預(yù)言可追溯至20世紀(jì)60年代。但實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期面臨巨大障礙：
原子總是傾向于一次只輻射一個(gè)光子，“雙胞胎”光子的產(chǎn)生概率通常不足單光子產(chǎn)生概率的0.1%，實(shí)驗(yàn)上幾乎無(wú)法觀測(cè)。
這一困境的根本原因在于量子力學(xué)的基本特性：光子輻射的二階量子過程必然遠(yuǎn)弱于一階過程。
近年來(lái)，半導(dǎo)體材料與器件加工技術(shù)的突破為自發(fā)雙光子輻射實(shí)驗(yàn)提供了契機(jī)。中山大學(xué)團(tuán)隊(duì)在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持下，經(jīng)過近6年攻關(guān)，終于攻克關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
“我們?cè)O(shè)計(jì)了超高品質(zhì)的光學(xué)微腔，并在微納尺度上精細(xì)調(diào)控光子的產(chǎn)生過程?！眲㈨槹l(fā)說。這種光學(xué)微腔為“雙胞胎”光子的產(chǎn)生搭建了專屬通道，在實(shí)驗(yàn)中將雙光子的輻射效率從小于0.1%提升到了約50%，提升幅度達(dá)500倍。
納米工廠的技術(shù)密碼
團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的“雙光子工廠”核心技術(shù)在于兩大突破：
亞納米精度裝配：將位置隨機(jī)分布的納米尺寸固態(tài)“人造原子”以小于50納米的偏差裝配到微米直徑微腔的指定位置，同時(shí)確保微腔頻率與雙光子輻射通道的頻率偏差小于1GHz。
量子態(tài)精密操控：首創(chuàng)量子點(diǎn)級(jí)聯(lián)共振泵浦方案，對(duì)固態(tài)人造原子進(jìn)行相干的光學(xué)操控，確定性制備原子激發(fā)態(tài)，如同“光子節(jié)拍器”般讓光子輻射保持同步。
“我們就像在納米尺度上打造了一個(gè)專門生產(chǎn)糾纏光子的工廠?！眲㈨槹l(fā)形象地比喻道。該研究基于納米尺寸的固態(tài)“人造原子”結(jié)構(gòu)，提出了一種腔誘導(dǎo)的自發(fā)雙光子輻射方案。
這一方案突破了“光子輻射的二階量子過程必然遠(yuǎn)弱于一階過程”的傳統(tǒng)認(rèn)知，在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了與單光子輻射強(qiáng)度相當(dāng)?shù)淖园l(fā)雙光子輻射。
創(chuàng)紀(jì)錄的99.4%保真度
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該新型糾纏光源的量子保真度高達(dá)99.4%，創(chuàng)下世界紀(jì)錄。
“這一指標(biāo)意味著我們的糾纏光子‘心靈感應(yīng)’的強(qiáng)度極高，”劉順發(fā)表示，“也顯示出這項(xiàng)技術(shù)在提升量子通信安全性、量子計(jì)算可靠性、量子計(jì)量精度等方面的巨大潛力。”
《自然》雜志審稿人高度評(píng)價(jià)這一成果，稱其為“雙光子研究領(lǐng)域的突破性進(jìn)展”，實(shí)現(xiàn)了“保真度創(chuàng)紀(jì)錄的糾纏光子對(duì)”。
該工作由中山大學(xué)主導(dǎo)完成，中山大學(xué)物理學(xué)院教授劉進(jìn)為論文通訊作者，王雪華教授提供重要指導(dǎo)。研究團(tuán)隊(duì)還包括中科院半導(dǎo)體所、德國(guó)多特蒙德大學(xué)、天津大學(xué)等多家機(jī)構(gòu)的科學(xué)家。
量子未來(lái)的中國(guó)基石
這一突破性進(jìn)展的意義遠(yuǎn)超單一技術(shù)突破：
開辟量子光源新路徑：為高保真度糾纏光源和高純度雙光子態(tài)的制備開辟了新道路，克服了傳統(tǒng)非線性自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程的性能瓶頸。
提供量子研究新平臺(tái)：為理解單光子水平的光與物質(zhì)非線性相互作用提供了新思路，為探索更高階的量子輻射效應(yīng)提供了可靠平臺(tái)。
奠定量子芯片新基礎(chǔ)：為構(gòu)建可擴(kuò)展、高容錯(cuò)率的集成光量子信息處理芯片提供了關(guān)鍵量子資源。
劉順發(fā)表示，下一步團(tuán)隊(duì)將利用研究中實(shí)現(xiàn)的高保真度糾纏光源和高純度雙光子源，繼續(xù)開展量子精密測(cè)量與量子通信應(yīng)用方面的研究。
量子科技領(lǐng)域的全球競(jìng)賽中，中國(guó)團(tuán)隊(duì)用六年時(shí)間將六十年前的理論預(yù)言轉(zhuǎn)化為納米尺度上的“雙光子工廠”。
《自然》審稿人稱之為雙光子研究領(lǐng)域的突破性進(jìn)展，而99.4%的保真度紀(jì)錄更像一扇門，門后是量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量的新天地。
當(dāng)被問及下一步計(jì)劃時(shí)，劉順發(fā)望著實(shí)驗(yàn)室里閃爍的量子光學(xué)測(cè)量設(shè)備回答：利用這個(gè)納米工廠，讓更多量子“雙胞胎”走出實(shí)驗(yàn)室，連接世界。
