3 月 3 日消息，北京量子信息科學(xué)研究院昨日宣布，該院袁之良團隊聯(lián)合中國科學(xué)院半導(dǎo)體所牛智川課題組，在固態(tài)量子光源研究方面取得重要進展。

研究團隊成功制備出一種基于量子點-微柱腔耦合體系的高效率、高純度雙光子發(fā)射器。該器件利用創(chuàng)新的暗態(tài)雙激子激發(fā)路徑，并結(jié)合腔增強的簡并雙激子-激子級聯(lián)輻射，大幅提升了雙光子發(fā)射的效率與純度。相關(guān)成果已于 3 月 2 日發(fā)表于《自然 · 材料》。

確定性雙光子態(tài)是量子計量、量子成像和量子生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的關(guān)鍵資源。然而，傳統(tǒng)基于非線性參量過程的雙光子源本質(zhì)上服從泊松統(tǒng)計，存在多光子事件概率不可忽略的問題。盡管單量子點可通過雙激子級聯(lián)輻射產(chǎn)生光子對，但如何高效填充雙激子態(tài)并同時實現(xiàn)高亮度、高純度的雙光子發(fā)射，一直是該領(lǐng)域的核心挑戰(zhàn)。

基于此，研究團隊提出并實現(xiàn)了一種全新的解決方案。團隊將單個 In (Ga)As 量子點嵌入微柱光學(xué)腔中，利用 p 殼層共振激發(fā)技術(shù)，選擇性地將載流子填充至長壽命的暗激子態(tài)，從而繞過亮激子的快速輻射復(fù)合通道，實現(xiàn)了對雙激子態(tài)的高效、確定性加載。與此同時，該體系中的雙激子與激子能級近乎簡并，使得單一腔?？赏瑫r增強級聯(lián)輻射中的兩個光學(xué)躍遷，從而在保持高純度的同時顯著提升雙光子發(fā)射效率。

▲ 量子點雙光子發(fā)射器的創(chuàng)新路徑

實驗結(jié)果顯示：在弱連續(xù)光激發(fā)下，該光源的零延遲二階關(guān)聯(lián)函數(shù) g(2)(0) 高達 3966，表現(xiàn)出極強的雙光子聚束效應(yīng)；在脈沖激發(fā)模式下，基于二階和三階關(guān)聯(lián)測量的光子數(shù)分布重建表明，98.3% 的發(fā)射光子以光子對形式出現(xiàn)，雙光子發(fā)射效率在第一個物鏡處達到 29.9%。這是目前固態(tài)量子光源中雙光子純度與效率兼具的領(lǐng)先結(jié)果。

▲ 高性能雙光子源的實驗結(jié)果

進一步的時間分辨關(guān)聯(lián)測量揭示了該體系中的受激輻射機制：由于雙激子與激子能級簡并，第一個雙激子光子的發(fā)射會加速后續(xù)激子光子的輻射，從而增強雙光子的時間關(guān)聯(lián)性。研究團隊還建立了速率方程模型，成功復(fù)現(xiàn)了實驗中觀測到的功率依賴性和聚束行為，為理解雙光子發(fā)射動力學(xué)提供了理論框架。