图 由302公里长的光纤分隔的两个独立固态QD单光子源之间量子干涉的实验装置

2022年的诺贝尔物理学奖颁给了法国学者阿兰·阿斯佩，美国学者约翰·克劳泽和奥地利学者安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、确立对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”方面的成就。同时也展望了量子纠缠在“第二次量子革命”中的潜在应用：当人们能够掌控量子力学时，包括量子叠加、量子纠缠等，世界将会迎来全新的量子时代。量子技术的发展将进一步开拓物理前沿，为量子通信、量子计算、量子超导等领域带来全新的可能性。

其中，在量子通信领域，将通信距离扩展到实用规模是最重要的挑战之一。由于量子态非常脆弱，任何测量都会改变量子态本身，即令量子态坍缩，因此量子态无法被任意克隆。所以与可以无噪声放大的经典信号不同，叠加量子态不能被放大因此，一个高性能的量子网络不仅需要超低损耗的量子通道和量子存储器，还需要高性能的量子光源。虽然目前基于卫星的量子通信和量子中继器取得了令人兴奋的进展，但缺乏合适的单光子源阻碍了进一步的进展。

那么，量子网络应用对单光子源有什么要求呢?首先，它应该一次只发射一个光子。第二，单光子源应具有较高的系统效率和重复率，以满足高亮度的需要。第三，对于量子隐形传输态等需要干涉独立光子的的应用，单光子应该是不可区分的。其他还有一些可调的窄带线宽(有利于时间同步)、与物质量子比特的互连等额外要求。

一个有前途的单光子源技术是量子点(QD)，它是只有几纳米的半导体颗粒。然而，在过去的二十年里，独立的QD之间的量子干涉的可见性很少超过50%的经典极限，距离也被限制在几米或几公里左右。

为了解决这个问题，中国科学技术大学(USTC)的潘建伟团队在以约300公里的光纤连接的两个独立QD之间实现了高可见度的量子干涉。他们研发出了具有超低噪声、可调谐的单光子频率转换和低色散的长光纤传输的高效且不可区分的单光子源。该成果以“Quantum interference with independent single-photon sources over 300 km fiber”为题发表在Advanced Photonics上(DOI: 10.1117/1.AP.4.6.066003)。

单光子是由确定性地耦合到微腔的谐振驱动单QD产生的。量子频率转换被用来消除QD的不均匀性，并将发射波长转移到电信波段，观察到的干涉可见度高达93%。USTC教授陆朝阳表示，“通过改进，距离有望增加到600公里左右。我们的工作从以前基于QD的量子实验的规模从约1公里扩展到300公里，大了两个数量级，大大扩展了固态量子网络的前景”。研究团队相信，随着这一技术进步，固态量子网络将迎来新的突破。