完美單光子源“助力”量子精密測量

  中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等與美國普林斯頓大學、德國維爾茲堡大學等科學家合作，在同時具備高純度、高不可分辨、高效率的單光子源器件上觀察到強度壓縮，為基于單光子源的量子精密測量奠定了基礎。論文以“編輯推薦”形式近日發表于《物理評論快報》。美國物理學會Physics網站以“面向完美的單光子源”為題專門對該工作做了亮點報道。

量子信息科學的發展，為精密測量技術提供了新的物理資源。單光子源是光量子信息技術中的關鍵器件，不僅可以應用于量子通信、量子計算，也是量子精密測量的重要資源。量子精密測量中的一個重要方向，是減少由于探測有限粒子而引起的統計漲落——散粒噪聲。

壓縮態是壓制散粒噪聲的另一量子資源。量子技術的發展使得實驗物理學家可以在海森堡不確定原理的限制下，調節一對共軛量（如位置和動量、時間和能量等）的相對大小，把所需測量的物理量不確定性壓低。其中，有一類壓縮態被稱為強度壓縮，可以把光子數抖動降低到散粒噪聲以下。在實際應用中，從2011年引力波探測器LIGO開始使用注入壓縮真空態來提供探測靈敏度，提高了50%的可探測事件數量。

1979年，國外學者從理論上預言，單個二能級系統的共振熒光中可觀察到強度壓縮。隨后的理論分析指出，直接探測多光子源的強度壓縮需要很高的熒光系統效率。但由于共振熒光的產生、提取和收集等過程中帶來的光子數損失，直接觀測強度壓縮一直以來是個巨大的挑戰。

中科大研究組長期致力于發展高品質的單光子源，首創了脈沖共振熒光方法，利用微腔耦合提高單光子提取效率。2019年，通過雙色激發和極化腔方案成功解決單光子由于極化損耗而至少損失50%的科學難題。在此基礎上，研究小組發展了高品質單光子源，通過對共振熒光的直接測量，證明了0.59dB的強度壓縮，在第一物鏡處的壓縮量達到3.29dB。