華中科技大學(xué)物理學(xué)院陳學(xué)文教授團(tuán)隊在芯片集成光量子領(lǐng)域取得新進(jìn)展
近日，物理學(xué)院陳學(xué)文教授團(tuán)隊在芯片集成量子光源方面取得重要進(jìn)展，實現(xiàn)了全同單光子源的可控片上集成，實驗展示了片上獨(dú)立單光子源間的全同光子量子干涉，干涉可見度達(dá)0.97，并觀察到100微秒量級的長時間量子拍現(xiàn)象。2025年11月5日，該成果以“On-chip Quantum Interference of Indistinguishable Single Photons from Integrated Independent Molecules”為題在線發(fā)表在《自然·納米技術(shù)》。
光量子技術(shù)是實現(xiàn)量子通信、量子模擬和通用量子計算的重要平臺。全同單光子是光量子技術(shù)的重要物理資源。將多個獨(dú)立且全同的單光子通道集成到片上，是實現(xiàn)可擴(kuò)展光量子信息處理的關(guān)鍵。然而在實驗層面，這一目標(biāo)的實現(xiàn)面臨三大核心挑戰(zhàn)：其一，獨(dú)立單光子源所處的局域納米環(huán)境不相同，導(dǎo)致躍遷頻率存在差異，即非均勻展開；其二，局域電荷環(huán)境的波動會引發(fā)發(fā)射頻率的隨機(jī)抖動與漂移，微納加工過程更會加劇材料表面附近的電荷噪聲，從而惡化光譜穩(wěn)定性；其三，單量子體系在集成過程中偶極取向隨機(jī)，難以實現(xiàn)可控耦合。
針對上述關(guān)鍵瓶頸，陳學(xué)文、唐建偉教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊聯(lián)合浙江大學(xué)時堯成教授團(tuán)隊提出并實現(xiàn)了一種“分子摻雜有機(jī)微納晶片 + 氮化硅光子線路 + 片上金屬微電極”的混合集成方案(圖1)。在該架構(gòu)中，摻雜DBT(7,8:15,16-dibenzoterrylene)分子的蒽微納晶片以相對可控的位置和偶極取向集成至氮化硅光子芯片之上；同時，通過片上微電極施加外加電場，利用斯塔克效應(yīng)實現(xiàn)對分子躍遷頻率的精密調(diào)諧，最終成功實現(xiàn)了高穩(wěn)定性、可控的獨(dú)立全同單光子源片上集成，有效突破了上述三大實驗挑戰(zhàn)。
圖1. 混合集成光量子芯片。a. 光量子芯片實物照片；b. 光量子芯片上集成24個雙光子量子干涉器件(光學(xué)顯微照片)；c. 一個雙光子量子干涉器件由分子摻雜的單晶微納晶片、氮化硅光子元件(波導(dǎo)W1,2,3,4、2×2多模干涉儀和光柵耦合器和金屬微電極的混合集成；d. 波導(dǎo)W1和W2(兩側(cè)有金電極)、多模干涉儀以及其中一個光柵耦合器的SEM圖像；e.DBT分子結(jié)構(gòu)及其能級示意圖；f. 片上雙光子量子干涉實驗示意圖。
合作團(tuán)隊通過上述有機(jī)-無機(jī)混合集成方案，一方面保障了分子所處的純凈固態(tài)環(huán)境，有效抑制了分子頻率的抖動漂移；另一方面借助斯塔克效應(yīng)，對兩個獨(dú)立波導(dǎo)上的單分子單光子源分別實施精確調(diào)控，成功消除了不同分子間的躍遷頻率差異；同時利用片上單模光路極高的模式匹配度，確保了光子干涉效率。最終成功實現(xiàn)了獨(dú)立單分子單光子源間的全同雙光子量子干涉，干涉可見度高達(dá)0.97，在已報道的獨(dú)立單量子體系單光子源全同光子量子干涉實驗中，創(chuàng)下了目前最高的干涉可見度紀(jì)錄(圖2)。
圖2.高可見度的片上全同光子量子干涉。a.片上同頻分子間雙光子量子干涉實驗示意圖；b. 借助斯塔克效應(yīng)將兩個分子的躍遷頻率精細(xì)調(diào)諧一致；c.兩個分子的共振熒光光譜重疊；d-f. 當(dāng)兩個分子頻率一致時，不用激發(fā)水平下(S= 2, 4, 9)的二階互相關(guān)函數(shù)g(2)HOM(τ)；g.當(dāng)M1和M2具有3.8 GHz大頻差時的二階互相關(guān)函數(shù)g(2)HOM, d(τ)；h.干涉可見度V(τ)與理論可見度曲線的比較。
該團(tuán)隊還通過主動引入并精準(zhǔn)調(diào)控獨(dú)立單光子源間的躍遷頻率差，使其穩(wěn)定在200 MHz，觀測到雙光子量子干涉的二階互相關(guān)函數(shù)中呈現(xiàn)周期為5 ns的量子拍。該量子拍的持續(xù)時間可達(dá)100μs量級，是分子激發(fā)態(tài)壽命的2萬倍以上(圖3)。這一現(xiàn)象揭示了發(fā)射光子的超長相干性(波動性)與高單光子純度(粒子性)，為光量子技術(shù)應(yīng)用拓展了新方向。
圖3.片上量子干涉拍。a.片上失諧分子間雙光子量子干涉實驗示意圖；b. 當(dāng)分子M1和M2被兩束激光同時共振激發(fā)時，發(fā)射光譜測量顯示兩個分子頻率相差200MHz；c.弱激發(fā)下(S= 0.2)的二階互相關(guān)函數(shù)；d. 100微秒長時延附近的二階互相關(guān)函數(shù)；e-h.不同激發(fā)水平下(S= 0.5、1、3和9)的二階互相關(guān)函數(shù)。
該項研究突破了集成量子光子學(xué)中長期存在的關(guān)鍵障礙，實現(xiàn)了芯片上獨(dú)立單光子源間的高可見度量子干涉，為未來基于片上集成單光子源的量子邏輯運(yùn)算奠定了基礎(chǔ)。這一成果不僅是構(gòu)建大規(guī)模光量子處理器的重要一步，也為量子光學(xué)和波導(dǎo)量子電動力學(xué)研究提供了穩(wěn)定可靠的實用平臺。
我校物理學(xué)院博士生黃泰臨、許淼淼、金偉、池軼瑄和浙江大學(xué)光電學(xué)院劉衛(wèi)喜博士為論文共同第一作者；物理學(xué)院博士任鵬龍、韋尚明以及博士生白正萱作出重要貢獻(xiàn)；陳學(xué)文、唐建偉和浙江大學(xué)光電學(xué)院時堯成教授為論文的共同通訊作者；我校為第一通訊單位。
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