高质量的光子源是量子技术的关键器件,近期中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等人与美国普林斯顿大学等机构的学者合作,在同时具备高纯度、高效率的单光子源器件上观察到强度压缩,为实现基于单光子源的量子精密测量奠定了基础。国际权威学术期刊《物理评论快报》日前发表了该成果。

 

据介绍,单光子源是光量子信息技术中的关键器件,不仅可以应用于量子通信、量子计算,同时也是量子精密测量的重要资源。量子精密测量中的一个重要方向是减少由于探测有限粒子而引起的统计涨落——散粒噪声,而压缩态就是压制散粒噪声的一种量子资源。1979 年,科学家从理论上预言,单个二能级系统的共振荧光中可观察到强度压缩,但直接观测强度压缩一直以来是个巨大的挑战。 

 

量子技术的发展使得实验物理学家可以在海森堡不确定原理的限制下,调节一对共轭量(如位置和动量、时间和能量等)的相对大小,把所需测量的物理量不确定性压低。其中,有一类压缩态被称为强度压缩,可以把光子数抖动降低到散粒噪声以下;另一类压缩态被称为正交分量压缩,比如相位分量的噪声可以降低到小于经典相干态相位噪声。在实际应用中,从 2011 年引力波探测器 LIGO 开始使用注入压缩真空态来提供探测灵敏度,提高了 50%的可探测事件数量。


1979 年,Mandel 从理论上预言,单个二能级系统的共振荧光中可观察到强度压缩。随后的理论分析指出,直接探测多光子源的强度压缩需要很高的荧光系统效率。但由于共振荧光的产生、提取和收集等过程中带来的光子数损失,直接观测强度压缩一直以来是个巨大的挑战。


中国科大研究组长期致力于发展高品质的单光子源,首创了脉冲共振荧光方法,利用微腔耦合提高单光子提取效率。2019 年,通过双色激发和极化腔方案成功解决单光子由于极化损耗而至少损失 50%的科学难题。在此基础上,研究小组发展了高品质单光子源,通过对共振荧光的直接测量,证明了 0.59dB 的强度压缩,在第一物镜处的压缩量达到 3.29dB。 

 

据悉,这是自从 2000 年实现量子点单光子源后,科学家通过 20 年的努力首次在该体系直接观测到强度压缩,为基于单光子源的无条件超越经典极限的精密测量奠定了科学基础,也为在极低光功率下定义发光强度坎德拉这一基本国际单位提供了一条新的途径。