近日，北京量子信息科学研究院(以下简称“量子院”)量子点量子计算胡承勇团队利用单量子点的饱和非线性效应和单光子开关效应实现新型量子光源——激光转换型单光子源, 具有超长相干时间(258±2微秒)和鲁棒的光子全同性，其单光子性能达到常规的自发辐射型单光子源的最优水准，有望成为量子互联网的标准量子光源。2025年11月18日，相关研究成果以 “将激光转换为具有超长相干时间的单光子” (Converting laser light into single photons with ultralong coherence time)为题发表在Optica上。
光子是量子信息传输的理想载体以及量子信息处理的重要载体，单光子源是光量子计算、分布式量子计算、量子通信、量子精密测量等量子技术的核心组成部分。目前，单光子源的制备主要依赖两种技术路径：一种是基于自发参量下转换(SPDC)或自发四波混频(SFWM)的概率性方法；另一种则是基于单量子体系自发辐射的确定性方法，如冷原子、离子阱、量子点或色心等系统。近年来，发射型量子点单光子源在实现理想单光子源方面取得了显著进展，表现出接近100%的单光子纯度与光子全同性。然而，发射型单光子源仍存在一定局限性：受限于激子寿命的两倍，其一阶相干时间极短(仅为几十至数百皮秒)，且光子全同性易受电荷噪声和自旋噪声的影响而退化。未来，量子互联网的发展将依赖于基于双光子干涉或单光子干涉的相干量子通信，要求单光子源具备良好的相干性与鲁棒的光子全同性。发射型单光子源在当前阶段尚难以完全满足这一需求。尽管激光本身具有优异的相干性，却无法通过线性光学元件直接衰减为单光子态。
针对以上问题，研究团队与中国科学院半导体所合作，提出并实现第三种单光子源的制备方法——激光转换型单光子源(LCSPS)。区别于常用于发射型单光子源的传统单边光学微腔结构，研究团队设计了一种对称的双边光学微腔[见图1(a)]，该结构无需依赖正交偏振滤波即可有效抑制激光受腔的散射。激光在经过量子点微腔耦合系统反射后，被直接转换为单光子[见图1(a)]，并展现出以下优异性能：超长相干时间 [258±2微秒, 见图2(b)] 、鲁棒的光子全同性[94.3±0.2%，见图2(c)], 以及完美的单光子纯度[g(2)(0)=0.030±0.002，见图1(e)]。以上数据均为原始测量结果。
激光转换型单光子源的工作原理可基于单量子点的饱和非线性效应与单光子开关效应进行定性解释：当单个光子与量子点相互作用而被反射后，在激子寿命的时间尺度内，后续入射光子会因量子点进入饱和状态而发生透射。这一过程使得反射光表现出反群聚行为，呈现单光子特性；而透射光则呈现群聚效应，具备多光子特性。其背后的深层物理机制源于相干态(即激光)与多光子态之间的量子干涉。该干涉过程有效抑制了反射光场中多光子成分的出现概率，将反射的激光光场变成单光子。
由于继承了激光的一级相干性与鲁棒的光子全同性，激光转换型单光子源可广泛应用于基于干涉的多种量子通信协议、单光子相控阵量子雷达及锁模单光子源等新型量子技术，有望成为未来量子互联网的标准量子光源。
图1 (a)激光转换型单光子源的结构与工作原理示意图；(b)器件的扫描电子显微镜图像;(c)不同驱动强度下的相干反射光谱，表现出50:1的单光子开关比;(d)反射光场的二阶相关函数零点值g(2)(0) 随激光失谐的变化;(e)低驱动强度下反射光场的二阶相关函数g(2)(t)。
图2 (a)通过Mach-Zehnder干涉仪表征的单光子源一阶相干性；(b)利用延迟自外差干涉与时间分辨符合测量，论证了激光转换型单光子源与驱动激光共享相同的相干时间；(c)双光子干涉可见度随发射时间差的演化，证明了该光源具有鲁棒的光子全同性。
该论文第一作者为量子院博士生王曼曼和李彦峰，通讯作者为量子院胡承勇研究员，论文合作者还包括量子院博士生曾传渝，北京邮电大学博士生黄国奇，量子院工程师刘丽、王文彦和冀伟杰， 中国科学院半导体所刘汗青博士后、倪海桥研究员和牛智川研究员。该工作获得了北京市自然科学基金和国家重点研发计划项目的支持。
