Recentemente, a equipe de computação quântica de pontos quânticos liderada por Hu Chengyong da Academia de Ciência da Informação Quântica de Pequim (doravante chamada de "A Academia") desenvolveu uma nova fonte de luz quântica-um laser-convertido de-fonte de fóton único-utilizando o efeito não linear saturado e o efeito de comutação-de fóton único de pontos quânticos únicos. Essa fonte exibe um tempo de coerência ultralongo (258±2 microssegundos) e homogeneidade robusta de fótons, com desempenho de-fóton único atingindo o nível ideal de fontes de fóton único-baseadas em emissão espontânea convencional. Ele é promissor como fonte de luz quântica padrão para aplicações quânticas de Internet. Em 18 de novembro de 2025, os resultados da pesquisa foram publicados na Optica sob o título "Conversão de luz laser em fótons únicos com tempo de coerência ultralongo".
Os fótons servem como portadores ideais para a transmissão de informações quânticas e veículos cruciais para o processamento de informações quânticas. Fontes-de fótons únicos formam os principais componentes das tecnologias quânticas, como computação quântica óptica, computação quântica distribuída, comunicação quântica e medição de precisão quântica. Atualmente, a preparação de fontes-de fótons únicos depende principalmente de duas abordagens técnicas: uma são métodos probabilísticos baseados em conversão descendente-paramétrica espontânea (SPDC) ou mistura espontânea de quatro-ondas (SFWM); o outro são métodos determinísticos baseados na emissão espontânea de sistemas-quânticos únicos, como átomos frios, armadilhas de íons, pontos quânticos ou centros de cores. Nos últimos anos, fontes de fóton único-de ponto quântico do tipo emissão-fizeram progressos significativos em direção a fontes de fóton único-ideais, exibindo quase 100% de pureza de-fóton único e identidade de fóton. No entanto, fontes de fótons únicos-baseadas em emissões ainda enfrentam limitações: limitadas pelo dobro do tempo de vida do exciton, seu tempo de coerência de primeira-ordem é extremamente curto (apenas dezenas a centenas de picossegundos) e a identidade do fóton é suscetível à degradação por ruído de carga e ruído de rotação. O futuro desenvolvimento da Internet quântica depende de comunicação quântica coerente baseada em interferência de dois-fótons ou de{19}}fótons únicos, exigindo fontes de fótons únicos-com excelente coerência e identidade robusta de fótons. Fontes de fóton único-com base em emissão-atualmente lutam para atender totalmente a esses requisitos. Embora os lasers possuam inerentemente uma coerência excepcional, eles não podem ser atenuados diretamente para estados de fótons únicos usando elementos ópticos lineares.
Para enfrentar esses desafios, a equipe de pesquisa colaborou com o Instituto de Semicondutores da Academia Chinesa de Ciências, propondo e realizando um terceiro método para preparação de fonte de-fóton único: a fonte de fóton único-baseada em conversão a laser (LCSPS). Ao contrário das estruturas tradicionais de microcavidades ópticas-de um lado, comumente usadas em fontes de fótons únicos-de emissão, a equipe projetou uma microcavidade óptica simétrica-de dois lados [veja a Figura 1(a)]. Esta estrutura suprime efetivamente a dispersão do laser dentro da cavidade sem depender de filtros de polarização ortogonais. Após a reflexão dentro do sistema de acoplamento de microcavidade de ponto quântico-, o laser é diretamente convertido em um único fóton [veja a Figura 1(a)], exibindo as seguintes propriedades excelentes: um tempo de coerência ultra-longo [258±2 μs, veja a Figura. 2(b)], indistinguibilidade robusta do fóton [94,3±0,2%, veja a Figura. 2(c)], e perfeita pureza de-fóton único [g(2)(0)=0.030±0,002, veja a Fig. 1(e)]. Todos os dados representam resultados brutos de medição.
O princípio de operação da fonte de fóton único-convertido-a laser pode ser explicado qualitativamente com base na não-linearidade saturada e nos efeitos de comutação de{2}}fóton único de pontos quânticos únicos: quando um único fóton interage e é refletido pelo ponto quântico, os fótons incidentes subsequentes são transmitidos dentro do tempo de vida do exciton devido ao ponto quântico entrar em um estado saturado. Esse processo faz com que a luz refletida exiba um comportamento anti{4}}coerência, exibindo características de-fóton único, enquanto a luz transmitida exibe efeitos de coerência, possuindo propriedades multi-fótons. O mecanismo físico profundo subjacente decorre da interferência quântica entre estados coerentes (ou seja, laser) e estados de múltiplos{10}fótons. Esse processo de interferência suprime efetivamente a probabilidade de componentes multi{12}}fótons aparecerem no campo de luz refletido, transformando o campo de luz laser refletido em fótons únicos.
Herdando a coerência de primeira{0}}ordem e a identidade robusta de fótons dos lasers, as fontes de fótons únicos-convertidas a laser podem ser amplamente aplicadas em vários protocolos de comunicação quântica baseados em interferência-, radares quânticos de matriz-de fóton único-e de modo-bloqueado-único. Eles são promissores como fonte de luz quântica padrão para a futura Internet quântica.
Figura 1
(a) Esquema da estrutura e princípio de funcionamento da fonte de fóton único-convertida-a laser; (b) Imagem de microscópio eletrônico de varredura do dispositivo; (c) Espectros de reflexão coerentes em diferentes intensidades de acionamento, demonstrando uma taxa de comutação de fóton único-de 50:1; (d) Valor zero g(2)(0) da função de correlação de segunda-ordem do campo de luz refletido em função da dessintonização do laser; (e) Função de correlação de segunda-ordem g(2)(t) do campo de luz refletido em baixas intensidades de acionamento.
Figura 2 (a) Coerência de primeira-ordem da fonte de-fóton único caracterizada pela interferometria Mach-Zehnder; (b) Demonstração de que a fonte de fóton-conversão-do tipo único-de laser compartilha o mesmo tempo de coerência que o laser condutor, obtido por meio de interferometria heteródina atrasada e medidas de coincidência-resolvidas no tempo; (c) Evolução da visibilidade da interferência de dois-fótons com diferença de tempo de emissão, comprovando a robusta homogeneidade dos fótons da fonte.
Os primeiros autores deste artigo são Wang Mannan e Li Yanfeng, estudantes de doutorado do Instituto de Informação Quântica, com o autor correspondente Hu Chengyong, pesquisador do mesmo instituto. Os co-autores incluem Zeng Chuanyu, estudante de doutorado no Instituto de Informação Quântica; Huang Guoqi, estudante de doutorado na Universidade de Correios e Telecomunicações de Pequim; os engenheiros Liu Li, Wang Wenyan e Ji Weijie do Instituto de Informação Quântica; bem como o pesquisador de pós-doutorado Liu Hanqing, os pesquisadores Ni Haiqiao e Niu Zhichuan do Instituto de Semicondutores da Academia Chinesa de Ciências. Este trabalho foi apoiado pela Fundação de Ciências Naturais de Pequim e pelo Programa Nacional de P&D da China.
