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在量子光学和量子信息领域，自发双光子辐射（STPE）因其本质上的量子特性，一直被视为通向新一代量子光源的「圣杯」。但该过程作为二阶量子辐射机制，其效率极低、难以调控，长期以来仅存在于理论推演和极为微弱的间接观测中。如何在固态系统中直接验证STPE的量子特性，并将其用于构建高性能的纠缠光源，成为量子光子学领域的一项重大挑战。
在此，中山大学刘进教授团队报告了一种亮度可媲美当前先进的单光子发射技术的顺序双光子发射现象。这种发射来自一个被精确耦合到高质量微柱腔体中的单个半导体量子点。这一高亮度表现，归功于微腔内强烈的真空涨落，它能够直接促使双激子态跃迁到基态，释放出两个光子。通过光子统计测量，作者展示了在空腔量子电动力学（QED）条件下，这种STPE过程所具有的量子特性。此外，作者还利用STPE开发了一种非常规的纠缠量子光源：它既能达到自发参量下转换（SPDC）光源接近100%的纠缠保真度，又具备原子量子发射体那样的按需发光能力。相关成果以「Quantum correlations of spontaneous two-photon emission from a quantum dot」为题发表在Nature上，第一作者为刘顺发。
| 原理
该研究所构建的半导体CQED系统（图1a）采用精确调控的InAs量子点与微柱腔耦合结构。不同于传统方法，该系统的腔模共振频率恰好位于激子（X）与双激子（XX）能级之间，实现对XX态的双光子共振激发（图1b）。在V偏振激光激发下，仅收集H偏振的发射光，有效分离出STPE信号。模拟谱图（图1c）中，STPE信号位于X和XX发射能级之间，与腔模完全共振，满足双光子共振条件，为实现高效STPE奠定基础。该创新设计不仅增强了发射效率，也显著抑制了传统串级单光子过程的干扰。
图1 | 来自半导体CQED系统的STPE。
| CW激发下的STPE
在CW激发条件下，光致发光谱图清晰显示出X、XX及STPE发射峰（图2a）。实验结果与包含声子散射机制的全量子模型（图2b）高度吻合。通过滤波后测得的二阶相关函数g(2)(0)达惊人的22691（图2c），远超当前最先进的非线性量子光源。对比X和XX的相关函数（图2d, 2e），分别呈现典型的抗聚集行为（g²远小于1），进一步验证STPE来源并非传统串级过程。此外，功率依赖谱图（图2f, 2g）展现了激发功率升高引发的多峰结构，完美吻合双光子共振激发下的“dressed state”理论模型，表明STPE具有明确的调控可行性。
图2 | CW激发下的STPE。
| 脉冲激发下的STPE
在π脉冲激发条件下，STPE谱图呈现典型的Rabi振荡特征（图3a, 3b），进一步验证其非线性量子过程本质。所测STPE相关函数ḡ(2)值高达13.29，在超低功率下依然保持高纯度双光子事件（图3c）。相比之下，X与XX发射的ḡ(2)值仅为0.024与0.035（图3d, 3e），验证其为单光子过程。STPE计数率最高达497.3 kHz（图3f），与传统XX与X单光子发射相当。经系统效率校准，STPE光对生成率达18.25 MHz，转换效率达0.9%（图3g）——相比SPDC源提升数个数量级，充分展示了STPE在低光子数下的非线性增强特性。
图3 | 脉冲激发下的STPE。
| STPE验证
为进一步确认STPE来源，研究团队构建二维相关函数g(2)(t₁, t₂)图谱。结果显示，STPE事件集中分布在对角线上（图4c, 4d），明确表征两个光子的同时发射特征。反观传统XX–X串级过程的g(2)图谱则呈现明显的时间延迟特性（图4e, 4f），进一步确认STPE并非由串级过程或腔漏光「伪影」所致。
图4 | STPE和XX-X级联发射的比较。
| 非常规纠缠光子源
在STPE机制的基础上，研究团队采用级联共振激发方案（图5a, 5b），成功构建出波长简并、偏振退化的纠缠光源。在线性（HH, HV）、对角（DD, DA）及圆极化（RR, RL）三种基下进行关联测量（图5c-e），所得纠缠保真度高达0.994，全面超越SPDC与传统XX–X串级方案（图5h-j, 保真度仅0.526）。更重要的是，该纠缠光源对量子点精细结构劈裂（FSS）不敏感，意味着无需复杂调控即可稳定输出高保真纠缠态，为后续集成应用提供极大便利。
图5 | 基于STPE的非常规纠缠量子光源。
| 小结与展望
本研究在国际上首次实现了高效、可调控的STPE发射，并清晰揭示其量子统计特性与纠缠能力，标志着STPE从理论走向实验可控的新阶段。相比传统SPDC或XX–X串级光源，STPE光源兼具「可按需触发、高纠缠保真度、波长简并、结构简洁」等优点，极具工程应用潜力。展望未来，作者表示可通过提升腔品质因子、引入光子带隙结构进一步抑制单光子通道，使STPE效率接近100%；同时通过应力工程等手段完全消除模式劈裂，从而获得真正「完美」的纠缠光源。这将为量子计算、量子通信等前沿应用注入新动能，也为探索更多非经典光学现象提供理想平台。
来源：两江科技评论 ，爱科会易仅用于学术交流，若相关内容侵权，请联系删除。
在量子光学和量子信息领域，自发双光子辐射（STPE）因其本质上的量子特性，一直被视为通向新一代量子光源的「圣杯」。但该过程作为二阶量子辐射机制，其效率极低、难以调控，长期以来仅存在于理论推演和极为微弱的间接观测中。如何在固态系统中直接验证STPE的量子特性，并将其用于构建高性能的纠缠光源，成为量子光子学领域的一项重大挑战。
在此，中山大学刘进教授团队报告了一种亮度可媲美当前先进的单光子发射技术的顺序双光子发射现象。这种发射来自一个被精确耦合到高质量微柱腔体中的单个半导体量子点。这一高亮度表现，归功于微腔内强烈的真空涨落，它能够直接促使双激子态跃迁到基态，释放出两个光子。通过光子统计测量，作者展示了在空腔量子电动力学（QED）条件下，这种STPE过程所具有的量子特性。此外，作者还利用STPE开发了一种非常规的纠缠量子光源：它既能达到自发参量下转换（SPDC）光源接近100%的纠缠保真度，又具备原子量子发射体那样的按需发光能力。相关成果以「Quantum correlations of spontaneous two-photon emission from a quantum dot」为题发表在Nature上，第一作者为刘顺发。
| 原理
该研究所构建的半导体CQED系统（图1a）采用精确调控的InAs量子点与微柱腔耦合结构。不同于传统方法，该系统的腔模共振频率恰好位于激子（X）与双激子（XX）能级之间，实现对XX态的双光子共振激发（图1b）。在V偏振激光激发下，仅收集H偏振的发射光，有效分离出STPE信号。模拟谱图（图1c）中，STPE信号位于X和XX发射能级之间，与腔模完全共振，满足双光子共振条件，为实现高效STPE奠定基础。该创新设计不仅增强了发射效率，也显著抑制了传统串级单光子过程的干扰。
图1 | 来自半导体CQED系统的STPE。
| CW激发下的STPE
在CW激发条件下，光致发光谱图清晰显示出X、XX及STPE发射峰（图2a）。实验结果与包含声子散射机制的全量子模型（图2b）高度吻合。通过滤波后测得的二阶相关函数g(2)(0)达惊人的22691（图2c），远超当前最先进的非线性量子光源。对比X和XX的相关函数（图2d, 2e），分别呈现典型的抗聚集行为（g²远小于1），进一步验证STPE来源并非传统串级过程。此外，功率依赖谱图（图2f, 2g）展现了激发功率升高引发的多峰结构，完美吻合双光子共振激发下的“dressed state”理论模型，表明STPE具有明确的调控可行性。
图2 | CW激发下的STPE。
| 脉冲激发下的STPE
在π脉冲激发条件下，STPE谱图呈现典型的Rabi振荡特征（图3a, 3b），进一步验证其非线性量子过程本质。所测STPE相关函数ḡ(2)值高达13.29，在超低功率下依然保持高纯度双光子事件（图3c）。相比之下，X与XX发射的ḡ(2)值仅为0.024与0.035（图3d, 3e），验证其为单光子过程。STPE计数率最高达497.3 kHz（图3f），与传统XX与X单光子发射相当。经系统效率校准，STPE光对生成率达18.25 MHz，转换效率达0.9%（图3g）——相比SPDC源提升数个数量级，充分展示了STPE在低光子数下的非线性增强特性。
图3 | 脉冲激发下的STPE。
| STPE验证
为进一步确认STPE来源，研究团队构建二维相关函数g(2)(t₁, t₂)图谱。结果显示，STPE事件集中分布在对角线上（图4c, 4d），明确表征两个光子的同时发射特征。反观传统XX–X串级过程的g(2)图谱则呈现明显的时间延迟特性（图4e, 4f），进一步确认STPE并非由串级过程或腔漏光「伪影」所致。
图4 | STPE和XX-X级联发射的比较。
| 非常规纠缠光子源
在STPE机制的基础上，研究团队采用级联共振激发方案（图5a, 5b），成功构建出波长简并、偏振退化的纠缠光源。在线性（HH, HV）、对角（DD, DA）及圆极化（RR, RL）三种基下进行关联测量（图5c-e），所得纠缠保真度高达0.994，全面超越SPDC与传统XX–X串级方案（图5h-j, 保真度仅0.526）。更重要的是，该纠缠光源对量子点精细结构劈裂（FSS）不敏感，意味着无需复杂调控即可稳定输出高保真纠缠态，为后续集成应用提供极大便利。
图5 | 基于STPE的非常规纠缠量子光源。
| 小结与展望
本研究在国际上首次实现了高效、可调控的STPE发射，并清晰揭示其量子统计特性与纠缠能力，标志着STPE从理论走向实验可控的新阶段。相比传统SPDC或XX–X串级光源，STPE光源兼具「可按需触发、高纠缠保真度、波长简并、结构简洁」等优点，极具工程应用潜力。展望未来，作者表示可通过提升腔品质因子、引入光子带隙结构进一步抑制单光子通道，使STPE效率接近100%；同时通过应力工程等手段完全消除模式劈裂，从而获得真正「完美」的纠缠光源。这将为量子计算、量子通信等前沿应用注入新动能，也为探索更多非经典光学现象提供理想平台。
来源：两江科技评论 ，爱科会易仅用于学术交流，若相关内容侵权，请联系删除。
