3 月 3 日消息，北京量子信息科學研究院昨日宣布，該院袁之良團隊聯合中國科學院半導體所牛智川課題組，在固態量子光源研究方面取得重要進展。

研究團隊成功制備出一種基于量子點-微柱腔耦合體系的高效率、高純度雙光子發射器。該器件利用創新的暗態雙激子激發路徑，并結合腔增強的簡并雙激子-激子級聯輻射，大幅提升了雙光子發射的效率與純度。相關成果已于 3 月 2 日發表于《自然 · 材料》。

確定性雙光子態是量子計量、量子成像和量子生物醫學應用中的關鍵資源。然而，傳統基于非線性參量過程的雙光子源本質上服從泊松統計，存在多光子事件概率不可忽略的問題。盡管單量子點可通過雙激子級聯輻射產生光子對，但如何高效填充雙激子態并同時實現高亮度、高純度的雙光子發射，一直是該領域的核心挑戰。

基于此，研究團隊提出并實現了一種全新的解決方案。團隊將單個 In (Ga)As 量子點嵌入微柱光學腔中，利用 p 殼層共振激發技術，選擇性地將載流子填充至長壽命的暗激子態，從而繞過亮激子的快速輻射復合通道，實現了對雙激子態的高效、確定性加載。與此同時，該體系中的雙激子與激子能級近乎簡并，使得單一腔模可同時增強級聯輻射中的兩個光學躍遷，從而在保持高純度的同時顯著提升雙光子發射效率。

▲ 量子點雙光子發射器的創新路徑

實驗結果顯示：在弱連續光激發下，該光源的零延遲二階關聯函數 g(2)(0) 高達 3966，表現出極強的雙光子聚束效應；在脈沖激發模式下，基于二階和三階關聯測量的光子數分布重建表明，98.3% 的發射光子以光子對形式出現，雙光子發射效率在第一個物鏡處達到 29.9%。這是目前固態量子光源中雙光子純度與效率兼具的領先結果。

▲ 高性能雙光子源的實驗結果

進一步的時間分辨關聯測量揭示了該體系中的受激輻射機制：由于雙激子與激子能級簡并，第一個雙激子光子的發射會加速后續激子光子的輻射，從而增強雙光子的時間關聯性。研究團隊還建立了速率方程模型，成功復現了實驗中觀測到的功率依賴性和聚束行為，為理解雙光子發射動力學提供了理論框架。