中科大在基于单光子源的量子精密测量方面取得新思路

量子信息是量子物理与信息技术相结合发展起来的新学科,主要包括量子通信和量子计算2个领域。量子通信主要研究量子密码、量子隐形传态、远距离量子通信的技术等等;量子计算主要研究量子计算机和适合于量子计算机的量子算法。

近日，中科大与美国普林斯顿大学、德国维尔兹堡大学合作在同时具备高纯度、高不可分辨、高效率的单光子源器件上观察到强度压缩，为基于单光子源的量子精密测量奠定了基础。单光子源是光量子信息技术中的关键器件，不仅可以应用于量子通信、量子计算(特别是玻色取样)，同时也是量子精密测量的重要资源。量子精密测量中的一个重要方向是减少由于探测有限粒子而引起的统计涨落——散粒噪声。

中科大研究组长期致力于发展高品质的单光子源，首创了脉冲共振荧光方法，利用微腔耦合提高单光子提取效率。2019年，通过双色激发[Nature Phys. 15, 941]和极化腔方案[Nature Photon. 13, 770]成功解决单光子由于极化损耗而至少损失50%的科学难题。在此基础上，研究小组发展了高品质单光子源，通过对共振荧光的直接测量，证明了0.59 dB的强度压缩，在第一物镜处的压缩量达到3.29 dB。这是自从2000年实现量子点单光子源后，科学家通过20年的努力首次在该体系直接观测到强度压缩，为基于单光子源的无条件超越经典极限的精密测量奠定了科学基础，也为在极低光功率下定义发光强度坎德拉这一基本国际单位提供了一条新的途径。

说无论外界怎么激发(连续激光或脉冲激光或是电致激发)，该系统只能在自发辐射寿命期间(约ps到ns时间尺度)发射出一个光子，即不可能在某一时刻同时发射两个及以上数量的光子，即单光子源。通俗的讲就是光子是一个接着一个发射，它们每次发射时间间隔和自发辐射寿命有关。单光子源是光学量子信息技术的核心资源。

2019年08月，中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟与陆朝阳、霍永恒等人领衔，和多位国内及德国、丹麦学者合作，在国际上首次提出一种新型理论方案，在窄带和宽带两种微腔上成功实现了确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率的单光子源，为光学量子计算机超越经典计算机奠定了重要的科学基础。

光学量子信息技术所需要的完美单光子源，要同时满足确定性偏振、高纯度、高全同性和高效率这4个几乎相互矛盾的严苛条件。从2000年以来，美国加州大学等相继在单光子源研究方向取得进展，但其品质还不能满足实用化需要。

2013年以来，我国潘建伟、陆朝阳等人在国际上首创了量子点脉冲共振激发技术，开始引领高性能单光子源的发展。但要实现完美的单光子源，还有两个重大技术难题需要逾越：一是量子点会随机发射两种偏振的光子，二是共振激发需要消除背景激光。

精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性 交叉学科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展趋势。三坐标测量机是适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。

而熟知测量技术方面的基本知识，则是掌握测量技能，独立完成对机械产品几何参数测量的基础。测量基准是复现和保存计量单位并具有规定计量单位特性的计量器具。在几何量计量领域内，测量基准可分为长度基准和角度基准两类。

散粒噪声通信设备中的有源器件(如电真空管)中，由于电子发射不均匀性所引起的噪声。又称散弹噪声。散粒噪声是由形成电流的载流子的分散性造成的，在大多数半导体器件中，它是主要的噪声来源。在低频和中频下，散粒噪声与频率无关(白噪声)，高频时，散粒噪声谱变得与频率有关。在量子光学中，散粒噪声来源于光量子的涨落，也就是电磁场能量的量子化。散粒噪声是量子噪声中主要的部分。

散粒噪声不仅能够在少量光子的场合使用光电倍增管测量，也能够在强光场合使用光电二极管并以高时间分辨率的示波器测量。由于光电流和光强(光量子数)成正比，电磁场能量的涨落经常能够包含在对电流的测量中。为了减少通信中散粒噪声的影响，一般是在接收机的前置级采用低噪声器件，或者是将前置放大器放置在绝对温度很低的容器中工作。这一措施，在接收很微弱信号的卫星通信中经常采用。

激发光的波长与荧光的波长相同，这种原子荧光叫共振荧光。由于相应于原子的激发态和基态之间的共振跃迁的概率一般比其他跃迁的概率大得多，所以共振跃迁产生的谱线是对分析最有用的荧光谱线。锌、镍和铅原子分别吸收和发射213.86nm、232.00nm和283.31nm共振线就是共振荧光的典型例子。

原子荧光的一种类型，此外还有非共振荧光和敏化荧光(增感荧光)。自由原子吸收激发光源的特征波长辐射，成为激发态原子，并立即发射出相同波长的辐射，回到原来的能级，所发辐射为共振荧光。系指激发线与荧光线光谱波长相等。对于多数元素来说其共振荧光线是相应于原子激发态和基态间的共振跃迁。但对铟、镓、铅、锡等元素，其共振荧光线则是从亚稳能级上产生。这些元素的原子经热激发后处在较低的亚稳态，通过吸收激发光源发射的特定的非共振线后，被进一步激发，然后再发射出相同波长的共振荧光线，这一过程称为热助共振荧。

多光子纠缠就是通过干涉度量的方法实现多光子的量子纠缠。通过干涉形成双光子纠缠的方法：一个紫外光脉冲照射一种叫做BBO的晶体，可以有一定概率产生一对光子(记作o光子和e光子)。两个光子通过在偏振分束器(PBS)上的一次干涉，就可以形成一个纠缠态|HH>+|VV>(即当o光子是H偏振时，e光子一定也是H偏振，反之当o光子是V偏振时，e光子一定也是V偏振)。

新闻来源：中国科学技术大学