中山大学，Nature！

米测MeLab

2025-07-14

特别说明：本文由米测技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨米测MeLab

编辑丨风云

研究背景

自发的双光子发射（STPE）是由真空涨落驱动的纯量子过程，源于量子零点能，涉及光与物质在单量子层面的相互作用。作为二阶量子辐射过程，STPE效率极低且难以控制，但在量子光学、信息处理和计量学中具有重要应用价值。

关键问题

然而，STPE的研究主要存在以下问题：

1、目前仍缺乏对STPE量子特性的直接实验验证

目前STPE的观测主要依赖于理论与光致发光光谱的间接对比，缺乏对其量子特性的直接实验验证，限制了其在量子技术中的实际应用。

2、STPE的发射效率低且难以调控

STPE作为二阶量子过程，其本身效率极低，且难以有效控制，尤其是在固态系统中实现高效、可扩展的单量子发射器仍面临重大挑战。

新思路

有鉴于此，中山大学刘进教授等人报道了亮度与竞争单光子辐射亮度相当的STPE，从单个半导体量子点确定性地耦合到高质量的微柱腔中。这是由于微腔中存在强烈的真空涨落，驱动双激子直接跃迁到基态。作者利用光子统计测量展示了腔量子电动力学区域中与STPE相关的量子性质。此外，利用STPE构建非常规纠缠量子光源，可以同时实现自发参量下转换光源的近乎统一的纠缠保真度和原子量子发射器的按需光子发射。该工作提供了对量子机制中双光子过程的深入理解，这可以为光子量子技术提供非线性量子辐射。

技术方案：

1、构建了一个由单个InAs量子点与高Q微柱腔耦合的半导体CQED系统

本研究构建了InAs量子点耦合微柱腔的CQED系统，满足双光子共振条件，实现高效自发两光子发射，为量子光源提供了新平台。

2、在低功率连续波激发下对半导体CQED系统进行了光学表征

实验在低功率连续激发下观测到清晰的X、XX及腔模发射，通过滤波和HBT测量获得高达22691的G²(0)，验证了高纯度STPE过程。

3、通过脉冲激发触发并调控STPE

本研究通过脉冲激发实现高效STPE，观测到拉比振荡与高G²值，光子对产率优于SPDC，展现出优异量子性能。

4、直接证明了腔模发射源自STPE过程

时间分辨测量显示腔模发射具强两光子同时相关性，与X/XX级联延迟明显不同，直接证实了其源自STPE过程。

5、构建了高保真偏振纠缠光子源

作者利用腔增强STPE构建高保真偏振纠缠光子源，测得纠缠保真度达0.994，对FSS和驱动强度不敏感，性能优于SPDC及传统级联过程。

技术优势：

1、首次实验验证了半导体CQED系统中STPE的量子特性

在单个半导体量子点与高质量微柱腔强耦合的腔量子电动力学（CQED）系统中，首次通过光子统计测量和时间分辨强度相关图，直接证实了STPE过程中两个光子同时发射到同一模式的量子特性，突破了以往仅依赖光谱间接推断的局限。

2、基于STPE构建了高保真、可集成的非常规纠缠光子源

作者利用明亮的STPE实现了近乎完美的纠缠保真度（0.994）和按需光子发射，兼具SPDC的高纠缠质量与原子系统的可控性，为固态量子光学器件和集成量子光子技术提供了新型高性能光源。

技术细节

STPE构建原则

本研究构建了一个由单个InAs量子点（QD）与高Q微柱腔耦合的半导体CQED系统，作为高性能固态量子光源。腔模能量位于激子（X）与双激子（XX）之间，满足两光子共振条件。通过垂直偏振激光激发并收集水平偏振发射，有效分离激发光与STPE信号。模拟光谱显示，STPE均匀来自X和XX跃迁，激发与发射过程均符合双光子共振，有利于实现高效STPE。

图  半导体CQED系统的STPE

CW激发下的STPE

作者在低功率连续波激发下对半导体CQED系统进行了光学表征，观察到清晰的激子（X）和双激子（XX）发射峰以及腔模发射。通过完整的量子模型和Schrieffer–Wolff变换，分析了发射速率，确认X与XX发射强度相当，且两光子与单光子发射速率比为4G²/κ²。实验中采用带通滤波器有效去除单光子背景，并通过HBT干涉仪测得STPE的二阶相关函数G²(0)高达22,691，显示出极高的两光子纯度。该高纯度源于QD的双激发限制和滤波器抑制单光子过程。进一步测量X和XX线的抗聚束行为，验证其单光子特性。功率依赖光谱显示X和XX分裂及腔模增强发射，符合理论预期，证实腔增强的STPE过程。

图  CW激发下的STPE

脉冲激发下的STPE

作者利用80 ps脉冲激光对量子点-微腔系统进行双光子共振激发，成功触发并调控自发双光子发射（STPE）。实验观测到XX和X发射以及腔模的相干拉比振荡，并在π脉冲激发下实现高纯度腔模发射，其二阶相关函数G²达13.29，显示出强非经典性。相比连续激发，脉冲激发下STPE具有更高的光子对生成效率（每脉冲0.23对）和转化效率（约0.9%），显著优于SPDC源。此外，STPE在高激发功率下仍保持高G²值，表现出优异的量子稳定性和非线性响应，适用于高性能量子光源开发。

图  脉冲激发下的STPE

STPE的验证

作者通过时间分辨强度相关测量，排除了激子与腔模非共振耦合导致的腔发射可能性。实验发现，腔模发射呈现强烈的两光子同时相关性，而X和XX发射则表现出级联延迟特征。两者在相关图上的显著差异，直接证明了腔模发射源自STPE过程，且其量子特性与以往报道的双光子发射有本质区别。

图  STPE和XX -X级联排放的比较

非常规的纠缠光子源

作者利用半导体CQED系统中的腔增强STPE，构建了高保真偏振纠缠光子源。通过级联共振激发方案激发XX态，使其通过腔模发射两个偏振纠缠光子，形成最大纠缠Bell态。实验测得线性、对角和圆偏基下的光子相关性高度一致，计算出纠缠保真度高达0.994，优于SPDC源和以往QD系统。该保真度对QD的精细结构分裂（FSS）和驱动强度不敏感，展现出优异的稳定性。相比之下，传统XX-X级联因FSS大（8.1 μeV）导致纠缠保真度仅0.526，进一步凸显STPE在构建高性能量子光源方面的优势。

图  基于STPE的非常规纠缠量子光源

展望

总之，本研究在单量子点与高Q微腔耦合系统中实现了高效的自发双光子发射（STPE），并通过高G²值和时间分辨测量验证了其量子特性。该器件可作为高保真纠缠光子对源，具备按需发射能力，为集成量子光学和量子信息技术提供了新平台。

参考文献：

Liu, S., Wang, Y., Saleem, Y. et al. Quantum correlations of spontaneous two-photon emission from a quantum dot. Nature (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09267-6