量子點中的雙光子發射與量子關聯

在量子光學和量子信息領域，自發雙光子輻射（STPE）因其本質上的量子特性，一直被視為通向新一代量子光源的“圣杯”。但該過程作為二階量子輻射機制，其效率極低、難以調控，長期以來僅存在于理論推演和極為微弱的間接觀測中。如何在固態系統中直接驗證STPE的量子特性，并將其用于構建高性能的糾纏光源，成為量子光子學領域的一項重大挑戰。

在此，中山大學劉進教授團隊報告了一種亮度可媲美當前先進的單光子發射技術的順序雙光子發射現象。這種發射來自一個被精確耦合到高質量微柱腔體中的單個半導體量子點。這一高亮度表現，歸功于微腔內強烈的真空漲落，它能夠直接促使雙激子態躍遷到基態，釋放出兩個光子。通過光子統計測量，作者展示了在空腔量子電動力學（QED）條件下，這種STPE過程所具有的量子特性。此外，作者還利用STPE開發了一種非常規的糾纏量子光源：它既能達到自發參量下轉換（SPDC）光源接近100%的糾纏保真度，又具備原子量子發射體那樣的按需發光能力。相關成果以“Quantum correlations of spontaneous two-photon emission from a quantum dot”為題發表在《Nature》上，第一作者為劉順發。

原理

該研究所構建的半導體CQED系統（圖1a）采用精確調控的InAs量子點與微柱腔耦合結構。不同于傳統方法，該系統的腔模共振頻率恰好位于激子（X）與雙激子（XX）能級之間，實現對XX態的雙光子共振激發（圖1b）。在V偏振激光激發下，僅收集H偏振的發射光，有效分離出STPE信號。模擬譜圖（圖1c）中，STPE信號位于X和XX發射能級之間，與腔模完全共振，滿足雙光子共振條件，為實現高效STPE奠定基礎。該創新設計不僅增強了發射效率，也顯著抑制了傳統串級單光子過程的干擾。

圖1：來自半導體CQED系統的STPE

CW激發下的 STPE

在CW激發條件下，光致發光譜圖清晰顯示出X、XX及STPE發射峰（圖2a）。實驗結果與包含聲子散射機制的全量子模型（圖2b）高度吻合。通過濾波后測得的二階相關函數g(2)(0)達驚人的22691（圖2c），遠超當前最先進的非線性量子光源。對比X和XX的相關函數（圖2d, 2e），分別呈現典型的抗聚集行為（g2遠小于1），進一步驗證STPE來源并非傳統串級過程。此外，功率依賴譜圖（圖2f, 2g）展現了激發功率升高引發的多峰結構，完美吻合雙光子共振激發下的“dressed state”理論模型，表明STPE具有明確的調控可行性。

圖 2：CW 激發下的 STPE

脈沖激發下的 STPE

在π脈沖激發條件下，STPE譜圖呈現典型的Rabi振蕩特征（圖3a, 3b），進一步驗證其非線性量子過程本質。所測STPE相關函數g?(2)值高達13.29，在超低功率下依然保持高純度雙光子事件（圖3c）。相比之下，X與XX發射的g?(2)值僅為0.024與0.035（圖3d, 3e），驗證其為單光子過程。STPE計數率最高達497.3 kHz（圖3f），與傳統XX與X單光子發射相當。經系統效率校準，STPE光對生成率達18.25 MHz，轉換效率達0.9%（圖3g）——相比SPDC源提升數個數量級，充分展示了STPE在低光子數下的非線性增強特性。

圖 3：脈沖激發下的 STPE

STPE 驗證

為進一步確認STPE來源，研究團隊構建二維相關函數g(2)(t?, t?)圖譜。結果顯示，STPE事件集中分布在對角線上（圖4c, 4d），明確表征兩個光子的同時發射特征。反觀傳統XX–X串級過程的g(2)圖譜則呈現明顯的時間延遲特性（圖4e, 4f），進一步確認STPE并非由串級過程或腔漏光“偽影”所致。

圖 4：STPE 和 XX-X 級聯發射的比較

非常規糾纏光子源

在STPE機制的基礎上，研究團隊采用級聯共振激發方案（圖5a, 5b），成功構建出波長簡并、偏振退化的糾纏光源。在線性（HH, HV）、對角（DD, DA）及圓極化（RR, RL）三種基下進行關聯測量（圖5c-e），所得糾纏保真度高達0.994，全面超越SPDC與傳統XX–X串級方案（圖5h-j, 保真度僅0.526）。更重要的是，該糾纏光源對量子點精細結構劈裂（FSS）不敏感，意味著無需復雜調控即可穩定輸出高保真糾纏態，為后續集成應用提供極大便利。

圖 5：基于 STPE 的非常規糾纏量子光源

小結與展望

本研究在國際上首次實現了高效、可調控的STPE發射，并清晰揭示其量子統計特性與糾纏能力，標志著STPE從理論走向實驗可控的新階段。相比傳統SPDC或XX–X串級光源，STPE光源兼具“可按需觸發、高糾纏保真度、波長簡并、結構簡潔”等優點，極具工程應用潛力。展望未來，作者表示可通過提升腔品質因子、引入光子帶隙結構進一步抑制單光子通道，使STPE效率接近100%；同時通過應力工程等手段完全消除模式劈裂，從而獲得真正“完美”的糾纏光源。這將為量子計算、量子通信等前沿應用注入新動能，也為探索更多非經典光學現象提供理想平臺。

來源：高分子科學前沿

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