2026年10月1日——通过密切合作，来自帕德博恩大学、巴塞尔大学和波鸿鲁尔大学的研究人员在量子通信领域取得了重大突破。在最近发表于著名期刊 *Physical Review Letters* 的论文中，他们展示了如何利用特殊的半导体纳米结构来产生几乎完全相同的单个光子和光子对。这些“不可区分”的粒子构成了量子纠缠和量子干涉的基础。

双激子衰变

在量子信息处理中，光子是理想的信息载体。然而，为了将这些光粒子用于复杂计算，它们必须具有完全相同的性质——即所谓的“不可区分性”。迄今为止，此类光源的问题在于产生的光子在时间上相关或失焦，这大大降低了它们的不可区分性，进而降低了质量。来自巴塞尔和帕德博恩的一个博士生团队现在利用光学谐振腔中半导体量子点的“双激子衰变”过程解决了这个问题。在这一过程中，由两个束缚激子（每个激子由电子和空穴组成）构成的分子发生衰变，留下一个单激子和一个光子。“半导体量子点中所谓的‘双激子级联’可以按需发射光子，这对现代应用具有重要意义。这是一个量子点被双重激发，然后激发态衰变的过程。它会先后产生两个光子，”来自 巴塞尔大学的论文第一作者 Timon Baltisberger 解释道。

按需产生的相同光子

“量子点通常被描述为半导体中的人工原子，可以产生单个光粒子。通过将其集成到专门的光学腔中——类似于激光器中的光学腔——本研究中对光发射过程进行了专门加速和控制，”帕德博恩大学物理系及光子量子系统研究所（PhoQS）“功能光子结构理论”研究组负责人 Stefan Schumacher 教授博士解释道。

在过去几年中，巴塞尔大学 Richard Warburton 教授的研究组对这些量子点与光学腔的相互作用进行了深入研究，并在多个领域取得了开创性进展。研究人员现在能够将这一专业知识应用于双激子，以可控方式加速其衰变。这产生了质量高得多的光子：它们的不可区分性达到90%，而没有这种效应时这一数字仅为60%——这是一个显著改进。“结果与理论预测高度一致，并指出了产生具有更高不可区分性的光子的方向。它们表明，双激子衰变可以产生非常高质量的光子——前提是使用光学腔对系统进行适当控制，”Warburton 教授说。

纯度可调

与 波鸿鲁尔大学 Arne Ludwig 博士的合作还深入揭示了潜在的物理机制。“我们发现，所产生的光子的纯度也可以利用谐振腔进行优化，并且仅受半导体晶格振动（声子）的限制。这种被称为‘腔馈入’的现象必须在未来设计中加以考虑，然后可以系统地进一步最小化，”帕德博恩大学物理系及光子量子系统研究所（PhoQS）“混合量子光子器件”研究组负责人 Klaus Jöns 教授博士解释道。

所产生的光子越不可区分、越纯净，数据处理中的错误率就越低。量子点被认为是实现此类光子大规模生产的一种有前景的技术。