中國科大首次實現(xiàn)

超越線性光量子計算損失容忍閾值的

高效率單光子源

合肥國家實驗室/中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽、霍永恒等在國際上首次實現(xiàn)效率超越可擴展線性光量子計算損失容忍閾值的高性能單光子源，相關綜合指標達到了國際最先進水平，為未來實現(xiàn)通用光量子計算奠定了關鍵技術(shù)基礎。相關研究成果于2月28日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然·光子學》上。

? Nature Photonics

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)境干擾強等優(yōu)勢，但光子易損失的物理特性一直是大規(guī)模光量子計算的核心挑戰(zhàn)。理論表明，單光子源的效率必須高于2/3的閾值，可擴展的線性光量子計算才具備可行性。然而，歷經(jīng)近半個世紀的技術(shù)攻關，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，成為制約光量子計算發(fā)展的關鍵障礙。

左：單光子源系統(tǒng)示意圖

右：單光子源效率超越損失容忍閾值（紅線）

為攻克該難題，研究團隊發(fā)展了一種可調(diào)諧的開放式光學微腔，實現(xiàn)了量子點與微腔在諧振頻率及空間定位的雙重精準耦合，解決了傳統(tǒng)固定式微腔的失諧難題。此外，團隊發(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優(yōu)于98.0%，光子全同性優(yōu)于98.6%，系統(tǒng)效率達到71.2%，提取效率達到80.6%，首次突破了2/3的損失容忍閾值，并實現(xiàn)了1.89 dB的強度壓縮。相關綜合指標達到了國際最先進水平。

審稿人高度評價這項研究工作，認為“實現(xiàn)光源系統(tǒng)效率高于光量子計算中損耗容忍閾值是一個里程碑（Achieving a source system efficiency above the threshold required for compensating for photon loss in photonic quantum computing is certainly a milestone）” ，“這些結(jié)果無疑是朝著理想單光子源邁出的又一大步（These results are certainly another significant step towards the ideal single-photon source）”。

本項研究獲得了國家自然科學基金委、科技部、中國科學院、安徽省、上海市等的支持。

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