我国固态量子光源重大突破：高效率、高纯度双光子发射器研发成功

发布日期：2026-03-03

IT之家 3 月 3 日消息，北京量子信息科学研究院昨日宣布，该院袁之良团队联合中国科学院半导体所牛智川课题组，在固态量子光源研究方面取得重要进展。 研究团队成功制备出一种基于量子点-微柱腔耦合体系的高效率、高纯度双光子发射器。该器件利用创新的暗态双激子激发路径，并结合腔增强的简并双激子-激子级联辐射，大幅提升了双光子发射的效率与纯度。相关成果已于 3 月 2 日发表于《自然 · 材料》。确定性双光子态是量子计量、量子成像和量子生物医学应用中的关键资源。然而，传统基于非线性参量过程的双光子源本质上服从泊松统计，存在多光子事件概率不可忽略的问题。尽管单量子点可通过双激子级联辐射产生光子对，但如何高效填充双激子态并同时实现高亮度、高纯度的双光子发射，一直是该领域的核心挑战。 基于此，研究团队提出并实现了一种全新的解决方案。团队将单个 In (Ga)As 量子点嵌入微柱光学腔中，利用 p 壳层共振激发技术，选择性地将载流子填充至长寿命的暗激子态，从而绕过亮激子的快速辐射复合通道，实现了对双激子态的高效、确定性加载。与此同时，该体系中的双激子与激子能级近乎简并，使得单一腔模可同时增强级联辐射中的两个光学跃迁，从而在保持高纯度的同时显著提升双光子发射效率。实验结果显示：在弱连续光激发下，该光源的零延迟二阶关联函数 g(2)(0) 高达 3966，表现出极强的双光子聚束效应；在脉冲激发模式下，基于二阶和三阶关联测量的光子数分布重建表明，98.3% 的发射光子以光子对形式出现，双光子发射效率在第一个物镜处达到 29.9%。这是目前固态量子光源中双光子纯度与效率兼具的领先结果。进一步的时间分辨关联测量揭示了该体系中的受激辐射机制：由于双激子与激子能级简并，第一个双激子光子的发射会加速后续激子光子的辐射，从而增强双光子的时间关联性。研究团队还建立了速率方程模型，成功复现了实验中观测到的功率依赖性和聚束行为，为理解双光子发射动力学提供了理论框架。

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