在過去的十年裡，研究人員在製造可按需發射單光子的設備方面取得了顯著進展，這是量子計算的一個重要組成部分。然而，始終如一地同時發射兩個光子依然是一項挑戰。現在，中國的研究團隊開發出了一種幾乎可以視為迷你光子對工廠的設備。在實驗中，該設備發射的光中有 98.3% 以光子對的形式出現，這是固態設備中所達到的最純淨的結果之一。光子對極具價值，因為它們可以是相關或糾纏的，意味著它們的行為如同同步的夥伴。例如，研究作者之一、中國北京量子信息科學研究院（BAQIS）的首席科學家袁志良表示，「糾纏的雙光子系統在時間和能量上始終保持同步。這一特性對於精密測量和量子成像至關重要。」此外，這類光子對還能實現超安全通信、更精確的量子傳感器以及高度先進的醫療成像技術。通過展示迄今為止最有效的固態雙光子源之一，研究人員將量子光子學推進到更接近現實應用的步驟。
製造兩個光子一直是個難題。從單個發射器產生光子對是一項複雜的工作。傳統的光子對源依賴於非線性晶體，其中一個強激光光子分裂成兩個較低能量的光子。儘管這種方法廣泛應用，但袁志良提到，「非線性晶體光源本質上是隨機的，有時發射一對，有時發射兩對甚至多對。」這種隨機性引入了噪聲，降低了效率。科學家們一直希望半導體量子點（通常被描述為人造原子的微小半導體顆粒）能解決這一問題。當受到光激發時，這些納米級結構釋放光子，因為電子回落到較低能量狀態。理論上，量子點可以通過一種稱為雙激子-激子級聯的過程發射兩個光子，但在實踐中，這一過程很少有效。一旦量子點中的單個電子被激發，它通常會立即發射光子並放鬆，這阻礙了系統形成所需的雙電子狀態。因此，從單個量子點可靠生成光子對一直非常困難。
為了克服這一限制，新的設備將單個量子點置於微型光學柱腔內，這種結構比人類的頭髮還要細，能夠捕捉和增強光的發射。該腔體通過 Purcell 效應增強了光子的發射速率。關鍵創新在於將量子點引導至一種長壽命的量子態，稱為暗激子。簡而言之，這一狀態就像一個不易發光的臨時候診室。激發的電子可以在那裡停留足夠長的時間，以便另一個電子到達。研究人員使用精心調整的激光脈衝和一種稱為偏振選擇性 p 殼激發的技術，引導電子進入這一暗態。一旦兩個電子同時占據量子點，它們便形成雙激子狀態。該狀態隨後通過兩步級聯衰變，迅速釋放出兩個光子。由於量子點位於光學腔內，發射也可以通過受激雙光子過程進一步增強，進一步提高光子之間的相關性。
實驗結果令人震驚。實驗表明，收集到的光中有 98.3% 以光子對的形式出現。這種光子對的產生效率達到 29.9%，是此類系統中的最佳報告之一。測得的雙光子相關值 g²(0) 約為 3.97，這表明光子對的發射強烈。總體而言，98.3% 的發射光子屬於光子對。換句話說，該系統有效地表現得像一個小型雙光子工廠，以卓越的純度釋放配對光子。研究作者指出，「通過利用暗態通道來實現量子點微腔中的雙激子群體，產生了明亮的高純度光子對，為實用的雙光子源提供了有前途的途徑。」
儘管這一設備的性能令人印象深刻，但其仍然存在限制。它目前在極低的溫度下運行，低於 10 開爾文，接近液氦的條件。為了實際應用，科學家希望將工作溫度推近液氮水平（高於 77 開爾文），這將使該技術的部署變得更加容易和便宜。研究人員目前計劃進一步提高光子對的質量，並探索能夠實現更高溫運行的新材料。如果成功，他們的工作可能使實用的按需光子對源更接近現實。該研究已發表在《自然材料》期刊上。
