电信 C 波段的确定性与高度不可区分单光子

面向未来互联网的光

今天的互联网通过光纤中激光光传输信息，但明天的量子互联网将需要以受控方式发射的单个光粒子——光子。该研究展示了如何在芯片上构建微小光源，可靠地一次发射一个高质量光子，并且工作在已经用于长距离光纤网络的相同波长，从而让实用的量子通信更进一步。

为什么单光子需要相互相似

对于许多量子技术——从超安全通信到新的强大计算方式——仅仅按需发射单光子还不够；这些光子还必须彼此近似相同。如果两个光子真正不可区分——颜色、时间和波形相同——它们可以相互干涉，产生在日常生活中没有对应物的效应。这种“二光子干涉”是用光实现量子逻辑操作的基本构件。挑战在于制造出能在标准电信 C 波段（约1550纳米，现有光纤网络损耗最低的波段）产生这种近似相同光子的光源。

芯片上的微小人造原子

作者使用半导体量子点——一种小到表现得像人造原子的人工结构。他们的器件由嵌入精心设计包层材料中的砷化铟构成，并置于圆形布拉格光栅谐振腔内，该谐振腔像显微镜级的反射腔一样将发射的光向上引导。芯片安置在接近绝对零度以上四开尔文的低温环境中，并由极短激光脉冲激发。研究人员随后将得到的光子通过滤波器和光纤组件以分析其颜色、时序以及同一脉冲中是否发射出多个光子的概率。

调谐量子点的激发方式

为找到最佳工作条件，团队系统地比较了用激光驱动量子点的四种不同方法。一种方法使用高能激光同时激发多个态，而其他方法使用更具选择性的波长，包括一种将激光微调到主跃迁略偏离的位置，量子点通过吸收或发射晶格振动（声子）来到达目标态的技术。对于每种方案，他们测量光源的“单光子性”，通过观察每个脉冲中出现多于一个光子的概率；并测量连续光子间的不可区分性，通过将光子对送入光束分离器并记录它们干涉的强弱来评估。

达到创纪录的光子一致性

最显著的结果来自声子辅助激发方法。在该工作点下，器件几乎不发射额外光子——多光子成分仅占少数百分比——且关键是，连续发射的光子在未经校正的可见度超过91%。这个数值直接反映了光子相似程度，并且超过了先前在电信波长固态发射体的记录。作者表明，其他激发方法仍能产生良好的单光子特性，但在不可区分性上不足，这很可能是因为它们以更慢且不够清晰的方式制备量子点态。

这对量子网络意味着什么

简单来说，研究人员构建了一个显微级光源，能够按需在与当今长距离光纤网络使用相同颜色下发射出近乎相同的单光子。通过在保持确定性——即在需要时发射光子——的同时匹配或超越更复杂的概率性光源的光子质量，他们的方法有助于弥合一项关键性能差距。这使得实用的量子通信系统和未来基于光的量子计算机更接近现实，并能使用可集成到现有电信基础设施的硬件。

引用: Hauser, N., Bayerbach, M., Kaupp, J. et al. Deterministic and highly indistinguishable single photons in the telecom C-band. Nat Commun 17, 537 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68336-0

关键词: 单光子源, 量子点, 电信 C 波段, 量子通信, 光子不可区分性