เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมคอมพิวเตอร์ควอนตัมจุดควอนตัมนำโดย Hu Chengyong ที่ Beijing Quantum Information Science Academy (ต่อไปนี้จะเรียกว่า "Academy") ได้ค้นพบแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมแบบใหม่-ซึ่งเป็นเลเซอร์-ที่แปลง-แหล่งกำเนิดโฟตอน-เดียวโดยการใช้เอฟเฟกต์แบบไม่เชิงเส้นอิ่มตัวและ-เอฟเฟกต์การเปลี่ยนโฟตอนเดี่ยวของจุดควอนตัมจุดเดียว แหล่งที่มานี้แสดงเวลาการเชื่อมโยงกันที่ยาวนานเป็นพิเศษ (258±2 ไมโครวินาที) และความสม่ำเสมอของโฟตอนที่แข็งแกร่ง โดยประสิทธิภาพของโฟตอนเดี่ยว-ถึงระดับที่เหมาะสมที่สุดของการปล่อยแสงตามธรรมชาติ-โดยอาศัย-แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว ถือเป็นแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมมาตรฐานสำหรับการใช้งานอินเทอร์เน็ตควอนตัม เมื่อวันที่ 18 พฤศจิกายน พ.ศ. 2568 ผลการวิจัยได้รับการตีพิมพ์ใน Optica ภายใต้ชื่อ "การแปลงแสงเลเซอร์ให้เป็นโฟตอนเดี่ยวที่มีเวลาเชื่อมโยงกันยาวนานเป็นพิเศษ"
โฟตอนทำหน้าที่เป็นตัวพาในอุดมคติสำหรับการส่งข้อมูลควอนตัมและเครื่องมือสำคัญสำหรับการประมวลผลข้อมูลควอนตัม แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว-เป็นองค์ประกอบหลักของเทคโนโลยีควอนตัม เช่น การประมวลผลควอนตัมเชิงแสง การประมวลผลควอนตัมแบบกระจาย การสื่อสารควอนตัม และการวัดความแม่นยำของควอนตัม ในปัจจุบัน -การเตรียมแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวอาศัยวิธีการทางเทคนิคสองวิธีเป็นหลัก วิธีหนึ่งคือวิธีการความน่าจะเป็นโดยอาศัยการแปลงดาวน์พาราเมตริกที่เกิดขึ้นเอง- (SPDC) หรือการผสมคลื่นสี่แบบที่เกิดขึ้นเอง (SFWM) อีกวิธีหนึ่งเป็นวิธีการกำหนดตามการปล่อยก๊าซธรรมชาติจากระบบควอนตัมเดี่ยว- เช่น อะตอมเย็น กับดักไอออน จุดควอนตัม หรือศูนย์กลางสี ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แหล่งกำเนิดโฟตอน-จุดเดี่ยวแบบควอนตัมที่เปล่งแสง-มีความก้าวหน้าอย่างมากในการบรรลุ-แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวในอุดมคติ ซึ่งแสดงให้เห็นความบริสุทธิ์ของโฟตอนเดี่ยว-เกือบ 100% และเอกลักษณ์ของโฟตอน อย่างไรก็ตาม การปล่อย-แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว-ยังคงเผชิญกับข้อจำกัด: ถูกจำกัดด้วยสองเท่าของอายุการใช้งานของเอ็กไซตัน -เวลาการเชื่อมโยงลำดับแรกนั้นสั้นมาก (เพียงสิบถึงหลายร้อยพิโควินาที) และเอกลักษณ์ของโฟตอนนั้นไวต่อการเสื่อมสภาพจากสัญญาณรบกวนจากประจุและสัญญาณรบกวนจากการหมุน การพัฒนาอินเทอร์เน็ตควอนตัมในอนาคตต้องอาศัยการสื่อสารควอนตัมที่สอดคล้องกันโดยอาศัยการรบกวนของโฟตอนสอง-โฟตอนหรือ-โฟตอนเดี่ยว โดยต้องการแหล่งที่มาของโฟตอน-เดียวที่มีความเชื่อมโยงกันเป็นเลิศและเอกลักษณ์ของโฟตอนที่แข็งแกร่ง แหล่งกำเนิดโฟตอนที่-แบบอิงการปล่อย{23}}เดียวในปัจจุบันประสบปัญหาในการตอบสนองข้อกำหนดเหล่านี้อย่างเต็มที่ แม้ว่าเลเซอร์จะมีการเชื่อมโยงกันที่โดดเด่นโดยธรรมชาติ แต่ก็ไม่สามารถลดทอนลงในสถานะ-โฟตอนได้โดยตรงโดยใช้องค์ประกอบทางแสงเชิงเส้น
เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้ ทีมวิจัยได้ร่วมมือกับสถาบันเซมิคอนดักเตอร์, Chinese Academy of Sciences เสนอและตระหนักถึงวิธีที่สามสำหรับการเตรียม-แหล่งกำเนิดโฟตอนเดียว: แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว-ที่ใช้การแปลงด้วยเลเซอร์ (LCSPS) ซึ่งแตกต่างจากโครงสร้างไมโครคาวิตี้แสงด้านเดียว-แบบเดิมที่ใช้กันทั่วไปในแหล่งกำเนิดโฟตอน-ประเภทเดียว-ที่ปล่อยออกมา ทีมงานได้ออกแบบไมโครคาวิตีแสงสองด้านที่สมมาตร- [ดูรูปที่ 1(a)] โครงสร้างนี้ยับยั้งการกระเจิงของเลเซอร์ภายในช่องได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่ต้องอาศัยตัวกรองโพลาไรเซชันแบบตั้งฉาก หลังจากการสะท้อนภายในระบบเชื่อมต่อช่องควอนตัม-จุดควอนตัม เลเซอร์จะถูกแปลงเป็นโฟตอนเดี่ยวโดยตรง [ดูรูปที่ 1(a)] ซึ่งแสดงคุณสมบัติที่โดดเด่นดังต่อไปนี้: ใช้เวลาในการเชื่อมโยงกันยาวนานเป็นพิเศษ{- [258±2 μs ดูรูปที่ . 2(b)] โฟตอนที่แยกไม่ออกอย่างแข็งแกร่ง [94.3±0.2% ดูรูปที่. 2(c)] และ ความบริสุทธิ์ของโฟตอนเดี่ยวที่สมบูรณ์แบบ- [g(2)(0)=0.030±0.002 ดูรูป. 1(e)] ข้อมูลทั้งหมดแสดงถึงผลการวัดดิบ
หลักการทำงานของเลเซอร์-แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว-ที่แปลงแล้วสามารถอธิบายได้ในเชิงคุณภาพโดยอิงจากความไม่เชิงเส้นอิ่มตัวและ-เอฟเฟกต์การเปลี่ยนโฟตอนเดี่ยวของจุดควอนตัมจุดเดียว: เมื่อโฟตอนตัวเดียวโต้ตอบและสะท้อนด้วยจุดควอนตัม โฟตอนที่ตามมาจะถูกส่งผ่านภายในอายุการใช้งานของเอ็กไซตัน เนื่องจากจุดควอนตัมเข้าสู่สถานะอิ่มตัว กระบวนการนี้ทำให้แสงที่สะท้อนแสดงพฤติกรรมต่อต้าน-การเชื่อมโยงกัน โดยแสดงคุณลักษณะ-โฟตอนเดี่ยว ในขณะที่แสงที่ส่องผ่านจะแสดงลักษณะพิเศษของการเชื่อมโยงกัน โดยมีคุณสมบัติ-โฟตอนหลายรายการ กลไกทางกายภาพเชิงลึกที่ซ่อนอยู่นั้นเกิดจากการรบกวนของควอนตัมระหว่างสถานะที่สอดคล้องกัน (เช่น เลเซอร์) และสถานะหลาย-โฟตอน กระบวนการรบกวนนี้จะระงับความน่าจะเป็นของ-ส่วนประกอบโฟตอนที่ปรากฏในสนามแสงสะท้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเปลี่ยนสนามแสงเลเซอร์ที่สะท้อนให้เป็นโฟตอนเดี่ยว
การสืบทอด-ลำดับการเชื่อมโยงกันลำดับแรกและการระบุโฟตอนที่แข็งแกร่งของเลเซอร์ เลเซอร์-แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว-ที่แปลงแล้วสามารถนำไปใช้อย่างกว้างขวางในโปรโตคอลการสื่อสารควอนตัมที่อิงการรบกวนต่างๆ- เรดาร์ควอนตัมอาเรย์-เฟส{5}}ของโฟตอนเดี่ยว และ-แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวที่ล็อคไว้- พวกเขาสัญญาว่าจะเป็นแหล่งกำเนิดแสงควอนตัมมาตรฐานสำหรับอินเทอร์เน็ตควอนตัมในอนาคต
รูปที่ 1
(a) แผนผังของโครงสร้างและหลักการทำงานของ-แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวที่แปลงแล้ว-ของเลเซอร์ (b) การสแกนภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของอุปกรณ์ (c) สเปกตรัมการสะท้อนที่สอดคล้องกันที่ความเข้มของการขับเคลื่อนที่แตกต่างกัน แสดงให้เห็นอัตราส่วนการสลับโฟตอนเดี่ยวที่ 50:1 (d) ค่าศูนย์ g(2)(0) ของฟังก์ชันลำดับที่สอง-ของสนามแสงสะท้อนที่เป็นฟังก์ชันของการลดเลเซอร์ (e) ฟังก์ชันลำดับที่สอง-สหสัมพันธ์ g(2)(t) ของสนามแสงสะท้อนที่ความเข้มของการขับเคลื่อนต่ำ
รูปที่ 2 (a) ลำดับแรก-การเชื่อมโยงกันของ-แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวที่แสดงคุณลักษณะโดยมัค-อินเตอร์เฟอโรเมทของ Zehnder; (b) การสาธิตว่าแหล่งกำเนิดโฟตอน-การแปลง-ประเภทเดียว-ด้วยเลเซอร์ใช้เวลาในการเชื่อมโยงกันเดียวกันกับเลเซอร์ขับเคลื่อน ซึ่งทำได้โดยการหน่วงเวลาของเฮเทอโรไดน์อินเตอร์เฟอโรเมทรีและเวลา-แก้ไขการวัดความบังเอิญ (c) วิวัฒนาการของการมองเห็นการรบกวนของโฟตอนสอง-ด้วยความแตกต่างของเวลาการปล่อย ซึ่งพิสูจน์ให้เห็นถึงความเป็นเนื้อเดียวกันของโฟตอนที่แข็งแกร่งของแหล่งกำเนิด
ผู้เขียนคนแรกของบทความนี้คือ Wang Mannan และ Li Yanfeng นักศึกษาระดับปริญญาเอกจากสถาบันข้อมูลควอนตัม พร้อมด้วยผู้เขียน Hu Chengyong นักวิจัยจากสถาบันเดียวกัน ผู้เขียนร่วม- ได้แก่ Zeng Chuanyu นักศึกษาระดับปริญญาเอกจาก Institute of Quantum Information; Huang Guoqi นักศึกษาปริญญาเอกจาก Beijing University of Post and Telecommunications; วิศวกร Liu Li, Wang Wenyan และ Ji Weijie จากสถาบันข้อมูลควอนตัม; เช่นเดียวกับนักวิจัยหลังปริญญาเอก Liu Hanqing นักวิจัย Ni Haiqiao และ Niu Zhichuan จากสถาบันเซมิคอนดักเตอร์ Chinese Academy of Sciences งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์ธรรมชาติปักกิ่งและโครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญแห่งชาติของจีน
