Recientemente, el equipo de computación cuántica de puntos cuánticos dirigido por Hu Chengyong en la Academia de Ciencias de la Información Cuántica de Beijing (en lo sucesivo, "la Academia") ha creado una nueva fuente de luz cuántica-un láser-fuente de fotón único-convertida-utilizando el efecto no lineal saturado y el efecto de conmutación de fotón único-de puntos cuánticos individuales. Esta fuente exhibe un tiempo de coherencia ultralargo (258 ± 2 microsegundos) y una robusta homogeneidad de fotones, con un rendimiento de fotón único-que alcanza el nivel óptimo de las fuentes de fotón único-basadas en emisión espontánea-convencionales. Es prometedor como fuente de luz cuántica estándar para aplicaciones de Internet cuántica. El 18 de noviembre de 2025, los resultados de la investigación se publicaron en Optica con el título "Conversión de luz láser en fotones individuales con un tiempo de coherencia ultralargo".
Los fotones sirven como portadores ideales para la transmisión de información cuántica y vehículos cruciales para el procesamiento de información cuántica. Las fuentes de fotón único- forman los componentes centrales de las tecnologías cuánticas, como la computación cuántica óptica, la computación cuántica distribuida, la comunicación cuántica y la medición de precisión cuántica. Actualmente, la preparación de una fuente de fotón único-se basa principalmente en dos enfoques técnicos: uno son los métodos probabilísticos basados en la conversión descendente-paramétrica espontánea (SPDC) o la mezcla espontánea de cuatro-ondas (SFWM); el otro son métodos deterministas basados en la emisión espontánea de sistemas cuánticos únicos-, como átomos fríos, trampas de iones, puntos cuánticos o centros de color. En los últimos años, las fuentes de fotón único-de punto cuántico de emisión-han logrado avances significativos hacia la consecución de fuentes de fotón único-ideales, que exhiben casi un 100% de pureza e identidad de fotón único-. Sin embargo, las fuentes de fotón único-basadas en emisión-todavía enfrentan limitaciones: limitadas por el doble de la vida útil del excitón, su tiempo de coherencia de primer-orden es extremadamente corto (solo decenas a cientos de picosegundos) y la identidad del fotón es susceptible a la degradación por el ruido de carga y el ruido de espín. El futuro desarrollo de Internet cuántico se basa en una comunicación cuántica coherente basada en la interferencia de dos-fotones o de un solo-fotón, lo que exige fuentes de fotón único-con una coherencia excelente y una identidad fotónica sólida. Las fuentes-de fotón único-basadas en emisiones actualmente tienen dificultades para cumplir plenamente con estos requisitos. Aunque los láseres poseen inherentemente una coherencia excepcional, no pueden atenuarse directamente a estados de fotón único mediante elementos ópticos lineales.
Para abordar estos desafíos, el equipo de investigación colaboró con el Instituto de Semiconductores de la Academia de Ciencias de China, proponiendo y desarrollando un tercer método para la preparación de fuentes de fotón único-: la fuente de fotón único-basada en conversión láser (LCSPS). A diferencia de las estructuras tradicionales de microcavidades ópticas de una sola cara-que se usan comúnmente en fuentes de emisión-de un solo-fotón, el equipo diseñó una microcavidad óptica simétrica de doble cara-[consulte la Figura 1(a)]. Esta estructura suprime eficazmente la dispersión del láser dentro de la cavidad sin depender de filtros de polarización ortogonal. Después de la reflexión dentro del sistema de acoplamiento de microcavidades del punto cuántico-, el láser se convierte directamente en un solo fotón [consulte la Figura 1(a)], exhibiendo las siguientes propiedades sobresalientes: un tiempo de coherencia ultra-largo [258 ± 2 μs, consulte la Fig. 2(b)], indistinguibilidad robusta del fotón [94,3 ± 0,2%, consulte la Fig. 2(c)], y perfecta pureza de fotón único-[g(2)(0)=0.030±0,002, consulte la figura. 1(e)]. Todos los datos representan resultados de medición sin procesar.
El principio de funcionamiento de la fuente de fotón único-convertido por láser-se puede explicar cualitativamente basándose en la no linealidad saturada y los efectos de conmutación de fotón único-de puntos cuánticos individuales: cuando un fotón único interactúa con el punto cuántico y es reflejado por él, los fotones incidentes posteriores se transmiten dentro de la vida útil del excitón debido a que el punto cuántico entra en un estado saturado. Este proceso hace que la luz reflejada exhiba un comportamiento anti-coherencia, mostrando características de fotón único-, mientras que la luz transmitida exhibe efectos de coherencia, poseyendo propiedades de múltiples-fotón. El profundo mecanismo físico subyacente surge de la interferencia cuántica entre estados coherentes (es decir, láser) y estados multi-fotónicos. Este proceso de interferencia suprime eficazmente la probabilidad de que aparezcan componentes de múltiples fotones en el campo de luz reflejada, transformando el campo de luz láser reflejado en fotones individuales.
Al heredar la coherencia de primer-orden y la robusta identidad fotónica de los láseres, las fuentes-de fotón único-convertidas por láser se pueden aplicar ampliamente en varios protocolos de comunicación cuántica basados en interferencia-, radares cuánticos de conjunto-de fotón único en fase-y fuentes de fotón único-modo-bloqueado. Son prometedores como fuente de luz cuántica estándar para la futura Internet cuántica.
Figura 1
(a) Esquema de la estructura y principio de funcionamiento de la fuente de fotón único-convertida por láser-; (b) Imagen de microscopio electrónico de barrido del dispositivo; (c) Espectros de reflexión coherentes a diferentes intensidades de excitación, lo que demuestra una relación de conmutación de fotón único- de 50:1; (d) Valor cero g(2)(0) de la función de correlación de segundo-orden del campo de luz reflejada en función de la desafinación del láser; (e) Función de correlación de segundo-orden g(2)(t) del campo de luz reflejada a intensidades de conducción bajas.
Figura 2 (a) Coherencia de primer-orden de la fuente de fotón único- caracterizada por interferometría de Mach-Zehnder; (b) Demostración de que la fuente de fotón único-tipo de conversión-láser-dispone del mismo tiempo de coherencia que el láser impulsor, lo que se logra mediante interferometría heterodina retardada y mediciones de coincidencia-resueltas en el tiempo; (c) Evolución de la visibilidad de la interferencia de dos-fotones con la diferencia de tiempo de emisión, lo que demuestra la robusta homogeneidad de los fotones de la fuente.
Los primeros autores de este artículo son Wang Mannan y Li Yanfeng, estudiantes de doctorado en el Instituto de Información Cuántica, con el autor correspondiente Hu Chengyong, investigador del mismo instituto. Los co-autores incluyen a Zeng Chuanyu, estudiante de doctorado en el Instituto de Información Cuántica; Huang Guoqi, estudiante de doctorado de la Universidad de Correos y Telecomunicaciones de Beijing; los ingenieros Liu Li, Wang Wenyan y Ji Weijie del Instituto de Información Cuántica; así como el investigador postdoctoral Liu Hanqing, los investigadores Ni Haiqiao y Niu Zhichuan del Instituto de Semiconductores de la Academia de Ciencias de China. Este trabajo fue apoyado por la Fundación de Ciencias Naturales de Beijing y el Programa Nacional Clave de I+D de China.
