Son zamanlarda, Pekin Kuantum Bilgi Bilimi Akademisi'nde (bundan böyle "Akademi" olarak anılacaktır) Hu Chengyong liderliğindeki kuantum nokta kuantum hesaplama ekibi, tek kuantum noktalarının doymuş doğrusal olmayan etkisini ve tek-foton değiştirme etkisini kullanarak yeni bir kuantum ışık kaynağı-lazerle-dönüştürülmüş tek-foton kaynağı-gerçekleştirdi. Bu kaynak, çok uzun bir tutarlılık süresi (258±2 mikrosaniye) ve sağlam bir foton homojenliği sergiler; tekli-foton performansı, geleneksel kendiliğinden emisyon-tabanlı tek-foton kaynaklarının optimal seviyesine ulaşır. Kuantum internet uygulamaları için standart bir kuantum ışık kaynağı olarak umut vaat ediyor. 18 Kasım 2025'te araştırma bulguları Optica'da "Lazer ışığını ultra uzun tutarlılık süresiyle tek fotonlara dönüştürme" başlığı altında yayınlandı.
Fotonlar, kuantum bilgi aktarımı için ideal taşıyıcılar ve kuantum bilgi işleme için önemli araçlar olarak hizmet eder. Tek-foton kaynakları, optik kuantum hesaplama, dağıtılmış kuantum hesaplama, kuantum iletişimi ve kuantum hassas ölçümü gibi kuantum teknolojilerinin temel bileşenlerini oluşturur. Şu anda, tek-foton kaynağı hazırlığı temel olarak iki teknik yaklaşıma dayanmaktadır: bunlardan biri, kendiliğinden parametrik aşağı-dönüşüme (SPDC) veya kendiliğinden dört-dalga karışımına (SFWM) dayalı olasılıksal yöntemlerdir; diğeri ise soğuk atomlar, iyon tuzakları, kuantum noktaları veya renk merkezleri gibi tek-kuantum sistemlerinden kendiliğinden yayılmaya dayanan deterministik yöntemlerdir. Son yıllarda, emisyon-tipi kuantum nokta tek-foton kaynakları, neredeyse %100 tek-foton saflığı ve foton kimliği sergileyerek ideal tek-foton kaynaklarına ulaşma yolunda önemli ilerleme kaydetti. Bununla birlikte, emisyon-tabanlı tek-foton kaynakları hala sınırlamalarla karşı karşıyadır: eksiton ömrünün iki katı kadar kısıtlanmıştır, ilk{16}}tutarlılık süreleri son derece kısadır (yalnızca on ila yüzlerce pikosaniye) ve foton kimliği, yük gürültüsü ve dönüş gürültüsü nedeniyle bozulmaya karşı hassastır. Gelecekteki kuantum internet gelişimi, iki-foton veya tek-foton girişimine dayanan tutarlı kuantum iletişimine dayanır ve mükemmel tutarlılığa ve güçlü foton kimliğine sahip tek{20}}foton kaynakları talep eder. Emisyon-tabanlı tek-foton kaynakları şu anda bu gereksinimleri tam olarak karşılamakta zorlanıyor. Lazerler doğası gereği olağanüstü bir tutarlılığa sahip olsa da, doğrusal optik öğeler kullanılarak doğrudan tek{25}}foton durumlarına zayıflatılamazlar.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için araştırma ekibi, Çin Bilimler Akademisi Yarı İletkenler Enstitüsü ile iş birliği yaparak tek-foton kaynağı hazırlığı için üçüncü bir yöntem önerdi ve gerçekleştirdi: lazer dönüşümü-tabanlı tek-foton kaynağı (LCSPS). Emisyon-tipi tek{-foton kaynaklarında yaygın olarak kullanılan geleneksel tek-taraflı optik mikro boşluk yapılarının aksine, ekip simetrik bir çift-taraflı optik mikro boşluk tasarladı [bkz. Şekil 1(a)]. Bu yapı, ortogonal polarizasyon filtrelerine dayanmadan, boşluk içindeki lazer saçılımını etkili bir şekilde bastırır. Kuantum nokta-mikro boşluk birleştirme sistemi içinde yansımanın ardından, lazer doğrudan tek bir fotona dönüştürülür [bkz. Şekil 1(a)], aşağıdaki olağanüstü özellikleri sergiler: ultra-uzun tutarlılık süresi [258±2 μs, bkz. Şekil. 2(b)], sağlam foton ayırt edilemezliği [%94,3±0,2, bkz. Şekil. 2(c)] ve mükemmel tek-foton saflığı [g(2)(0)=0.030±0,002, bkz. Şekil. 1(e)]. Tüm veriler ham ölçüm sonuçlarını temsil eder.
Lazerle-dönüştürülmüş tek-foton kaynağının çalışma prensibi, tek kuantum noktalarının doymuş doğrusal olmama ve tek-foton değiştirme etkilerine dayanarak niteliksel olarak açıklanabilir: Tek bir foton kuantum noktasıyla etkileşime girdiğinde ve kuantum noktası tarafından yansıtıldığında, sonraki gelen fotonlar, kuantum noktasının doymuş bir duruma girmesi nedeniyle eksiton ömrü içinde iletilir. Bu işlem, yansıyan ışığın tutarlılık karşıtı davranış sergilemesine, tek-foton özellikleri sergilemesine neden olurken, iletilen ışığın çoklu-foton özelliklerine sahip olarak tutarlılık etkileri sergilemesine neden olur. Temelde yatan derin fiziksel mekanizma, tutarlı durumlar (yani lazer) ile çoklu{10}}foton durumları arasındaki kuantum girişiminden kaynaklanır. Bu girişim süreci, yansıyan ışık alanında birden fazla{12}}foton bileşeninin ortaya çıkma olasılığını etkili bir şekilde bastırır ve yansıyan lazer ışığı alanını tekli fotonlara dönüştürür.
Lazerlerin birinci-derece tutarlılığını ve sağlam foton kimliğini miras alan, lazerle-dönüştürülmüş tekli-foton kaynakları, çeşitli girişim-tabanlı kuantum iletişim protokollerinde, tek-foton fazlı-dizili kuantum radarlarında ve mod-kilitli tek{-foton kaynaklarında yaygın olarak uygulanabilir. Gelecekteki kuantum internet için standart kuantum ışık kaynağı olarak umut vaat ediyorlar.
Şekil 1
(a) Lazerle-dönüştürülmüş tek-foton kaynağının yapısının ve çalışma prensibinin şeması; (b) Cihazın taramalı elektron mikroskobu görüntüsü; (c) 50:1 tekli-foton değiştirme oranını gösteren, farklı sürücü yoğunluklarında tutarlı yansıma spektrumları; (d) Lazer ayarını bozmanın bir fonksiyonu olarak yansıyan ışık alanının ikinci-düzey korelasyon fonksiyonunun sıfır değeri g(2)(0); (e) Düşük sürücü yoğunluklarında yansıyan ışık alanının ikinci-dereceden korelasyon fonksiyonu g(2)(t).
Şekil 2 (a) Mach-Zehnder interferometrisi ile karakterize edilen tek-foton kaynağının birinci-dereceden tutarlılığı; (b) Lazer-dönüşüm-tipi tek-foton kaynağının, gecikmeli heterodin interferometri ve zaman-çözümlü tesadüf ölçümleri yoluyla elde edilen, sürüş lazeriyle aynı tutarlılık süresini paylaştığının gösterilmesi; (c) Kaynağın sağlam foton homojenliğini kanıtlayan, emisyon zaman farkıyla iki-foton girişim görünürlüğünün evrimi.
Bu makalenin ilk yazarları, Kuantum Bilgi Enstitüsü'nde doktora öğrencileri olan Wang Mannan ve Li Yanfeng ile aynı enstitüde araştırmacı olan ilgili yazar Hu Chengyong'dur. Ortak-yazarlar arasında Kuantum Bilgi Enstitüsü'nde doktora öğrencisi olan Zeng Chuanyu; Pekin Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi'nde doktora öğrencisi olan Huang Guoqi; Kuantum Bilgi Enstitüsü'nden mühendisler Liu Li, Wang Wenyan ve Ji Weijie; yanı sıra doktora sonrası araştırmacı Liu Hanqing, Çin Bilimler Akademisi Yarı İletkenler Enstitüsü'nden araştırmacılar Ni Haiqiao ve Niu Zhichuan da katıldı. Bu çalışma Pekin Doğa Bilimleri Vakfı ve Çin Ulusal Anahtar Ar-Ge Programı tarafından desteklenmiştir.
