中国科大在基于单光子源的量子精密测量方面取得重要进展

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与美国普林斯顿大学Marlan Scully、德国维尔兹堡大学Sven Hofling等合作，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。论文以“编辑推荐”形式近日发表于《物理评论快报》。美国物理学会Physics网站以“面向完美的单光子源”（Toward a Perfect Single-Photon Source）为题专门对该工作做了高亮报道。

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。

量子信息科学的发展为精密测量技术提供了新的物理资源。2004年，潘建伟和同事在国际上首次实现多光子纠缠NOON态，演示了比单粒子高4倍灵敏度的非局域的德布罗意波长(Nature 429, 158)。此后，基于纠缠的量子精密测量快速发展，其中，中科大研究组先后演示了6、8、10、12、18倍灵敏度的德布罗意波长，并扩展到冷原子领域。

压缩态是压制散粒噪声的另一量子资源。量子技术的发展使得实验物理学家可以在海森堡不确定原理的限制下，调节一对共轭量（如位置和动量、时间和能量等）的相对大小，把所需测量的物理量不确定性压低。其中，有一类压缩态被称为强度压缩，可以把光子数抖动降低到散粒噪声以下；另一类压缩态被称为正交分量压缩，比如相位分量的噪声可以降低到小于经典相干态相位噪声。在实际应用中，从2011年引力波探测器LIGO开始使用注入压缩真空态来提供探测灵敏度，提高了50%的可探测事件数量。

1979年，Mandel从理论上预言，单个二能级系统的共振荧光中可观察到强度压缩。随后的理论分析指出，直接探测多光子源的强度压缩需要很高的荧光系统效率。但由于共振荧光的产生、提取和收集等过程中带来的光子数损失，直接观测强度压缩一直以来是个巨大的挑战。

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。

该研究工作得到了自然科学基金委、科技部、中科院、教育部等单位的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153601

美国物理学会报道：https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.13.s127

欧盟计量研究项目“量子坎德拉”：http://www.quantumcandela.org/project.html

（中科院量子信息与量子科技创新研究院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

来源：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/73060.htm

蜗壳威武

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