Récemment, l'équipe d'informatique quantique à points quantiques dirigée par Hu Chengyong de l'Académie des sciences de l'information quantique de Pékin (ci-après dénommée "l'Académie") a réalisé une nouvelle source de lumière quantique-une source de photons uniques-convertie au laser-en utilisant l'effet non linéaire saturé et l'effet de commutation de photons uniques-de points quantiques uniques. Cette source présente un temps de cohérence ultra long (258 ± 2 microsecondes) et une homogénéité de photons robuste, avec des performances de photons uniques-atteignant le niveau optimal des sources de photons uniques classiques basées sur l'émission spontanée-basées sur-. Il est prometteur en tant que source de lumière quantique standard pour les applications Internet quantiques. Le 18 novembre 2025, les résultats de la recherche ont été publiés dans Optica sous le titre « Conversion de la lumière laser en photons uniques avec un temps de cohérence ultralong ».
Les photons sont des supports idéaux pour la transmission de l’information quantique et des véhicules cruciaux pour le traitement de l’information quantique. Les sources de photons uniques- constituent les composants essentiels des technologies quantiques telles que l'informatique quantique optique, l'informatique quantique distribuée, la communication quantique et la mesure de précision quantique. Actuellement, la préparation d'une source de photons uniques-repose principalement sur deux approches techniques : l'une est des méthodes probabilistes basées sur la conversion paramétrique spontanée-(SPDC) ou le mélange spontané à quatre-ondes (SFWM) ; l'autre étant des méthodes déterministes basées sur l'émission spontanée de systèmes quantiques uniques -, tels que des atomes froids, des pièges à ions, des points quantiques ou des centres de couleurs. Ces dernières années, les sources de photons uniques-à points quantiques de type émission ont fait des progrès significatifs vers l'obtention de sources de photons uniques-idéales, présentant près de 100 % de pureté et d'identité de photons uniques-. Cependant, les sources de photons uniques basées sur l'émission-sont encore confrontées à des limites : contraintes par une durée de vie deux fois supérieure à l'exciton, leur temps de cohérence de premier ordre-est extrêmement court (seulement des dizaines à des centaines de picosecondes) et l'identité des photons est susceptible d'être dégradée par le bruit de charge et le bruit de spin. Le développement futur de l'Internet quantique repose sur une communication quantique cohérente basée sur une interférence à deux -photons ou à-photons uniques, exigeant des sources de photons uniques-avec une excellente cohérence et une identité photonique robuste. Les sources de photons uniques-basées sur l'émission-ont actuellement du mal à répondre pleinement à ces exigences. Bien que les lasers possèdent intrinsèquement une cohérence exceptionnelle, ils ne peuvent pas être directement atténués vers des états de photons uniques à l'aide d'éléments optiques linéaires.
Pour relever ces défis, l'équipe de recherche a collaboré avec l'Institut des semi-conducteurs de l'Académie chinoise des sciences, en proposant et en réalisant une troisième méthode de préparation d'une source de photons uniques : la source de photons uniques basée sur la conversion laser (LCSPS). Contrairement aux structures traditionnelles de microcavité optique simple face -communément utilisées dans les sources de photons uniques de type émission-, l'équipe a conçu une microcavité optique symétrique double-face [voir Figure 1(a)]. Cette structure supprime efficacement la diffusion laser dans la cavité sans recourir à des filtres de polarisation orthogonaux. Après réflexion dans le système de couplage de microcavité à points quantiques-, le laser est directement converti en un photon unique [voir Figure 1(a)], présentant les propriétés exceptionnelles suivantes : un temps de cohérence ultra-long [258 ± 2 μs, voir Fig. 2(b)], une indiscernabilité robuste des photons [94,3 ±0,2 %, voir Fig. 2(c)] et une parfaite indiscernabilité des photons. pureté d'un photon unique-[g(2)(0)=0.030±0,002, voir Fig. 1(e)]. Toutes les données représentent des résultats de mesure bruts.
Le principe de fonctionnement de la source de photons uniques convertie au laser-peut être expliqué qualitativement sur la base de la non-linéarité saturée et des effets de commutation de photons uniques-des points quantiques uniques : lorsqu'un seul photon interagit avec le point quantique et est réfléchi par celui-ci, les photons incidents suivants sont transmis pendant la durée de vie de l'exciton en raison de l'entrée du point quantique dans un état saturé. Ce processus amène la lumière réfléchie à présenter un comportement d'anti-cohérence, affichant des caractéristiques de photons uniques-, tandis que la lumière transmise présente des effets de cohérence, possédant des propriétés multi-photons. Le mécanisme physique profond sous-jacent provient de l'interférence quantique entre les états cohérents (c'est-à-dire le laser) et les états multi-photons. Ce processus d'interférence supprime efficacement la probabilité d'apparition de composants multi-photons dans le champ de lumière réfléchi, transformant le champ de lumière laser réfléchi en photons uniques.
Héritant de la cohérence du premier ordre et de l'identité robuste des photons des lasers, les sources de photons uniques converties au laser peuvent être largement utilisées dans divers protocoles de communication quantiques basés sur les interférences, les radars quantiques à photons uniques à phase unique et les sources de photons uniques verrouillées en mode. Ils sont prometteurs en tant que source de lumière quantique standard pour le futur Internet quantique.
Figure 1
(a) Schéma de la structure et du principe de fonctionnement de la source de photons uniques-convertie par laser ; (b) Image au microscope électronique à balayage de l'appareil ; (c) Spectres de réflexion cohérents à différentes intensités d'entraînement, démontrant un rapport de commutation de photons uniques de 50 : 1 ; (d) Valeur zéro g(2)(0) de la fonction de corrélation du deuxième -ordre du champ lumineux réfléchi en fonction du désaccord laser ; (e) Fonction de corrélation du deuxième -ordre g(2)(t) du champ lumineux réfléchi à de faibles intensités d'entraînement.
Figure 2 (a) Cohérence du premier-ordre de la source de photons unique-caractérisée par l'interférométrie Mach-Zehnder ; (b) Démonstration que la source de photons uniques de type -conversion-laser-partage le même temps de cohérence que le laser d'entraînement, obtenu grâce à l'interférométrie hétérodyne retardée et aux mesures de coïncidence résolues dans le temps - ; (c) Evolution de la visibilité de l'interférence à deux photons avec différence de temps d'émission, prouvant la robuste homogénéité des photons de la source.
Les premiers auteurs de cet article sont Wang Mannan et Li Yanfeng, doctorants à l'Institut d'information quantique, avec l'auteur correspondant Hu Chengyong, chercheur au même institut. Les co-auteurs incluent Zeng Chuanyu, doctorant à l'Institut d'information quantique ; Huang Guoqi, doctorant à l'Université des postes et télécommunications de Pékin ; les ingénieurs Liu Li, Wang Wenyan et Ji Weijie de l'Institut d'information quantique ; ainsi que le chercheur postdoctoral Liu Hanqing, les chercheurs Ni Haiqiao et Niu Zhichuan de l'Institut des semi-conducteurs de l'Académie chinoise des sciences. Ce travail a été soutenu par la Fondation des sciences naturelles de Pékin et le programme national clé de R&D de Chine.
