华中科技大学物理学院陈学文教授团队在芯片集成光量子领域取得新进展
2025-11-20 10:56:16华中科技大学阅读量：2670 我要评论
近日，物理学院陈学文教授团队在芯片集成量子光源方面取得重要进展，实现了全同单光子源的可控片上集成，实验展示了片上独立单光子源间的全同光子量子干涉，干涉可见度达0.97，并观察到100微秒量级的长时间量子拍现象。2025年11月5日，该成果以“On-chip Quantum Interference of Indistinguishable Single Photons from Integrated Independent Molecules”为题在线发表在《自然·纳米技术》。
光量子技术是实现量子通信、量子模拟和通用量子计算的重要平台。全同单光子是光量子技术的重要物理资源。将多个独立且全同的单光子通道集成到片上，是实现可扩展光量子信息处理的关键。然而在实验层面，这一目标的实现面临三大核心挑战：其一，独立单光子源所处的局域纳米环境不相同，导致跃迁频率存在差异，即非均匀展开；其二，局域电荷环境的波动会引发发射频率的随机抖动与漂移，微纳加工过程更会加剧材料表面附近的电荷噪声，从而恶化光谱稳定性；其三，单量子体系在集成过程中偶极取向随机，难以实现可控耦合。
针对上述关键瓶颈，陈学文、唐建伟教授领导的团队联合浙江大学时尧成教授团队提出并实现了一种“分子掺杂有机微纳晶片 + 氮化硅光子线路 + 片上金属微电极”的混合集成方案(图1)。在该架构中，掺杂DBT(7,8:15,16-dibenzoterrylene)分子的蒽微纳晶片以相对可控的位置和偶极取向集成至氮化硅光子芯片之上；同时，通过片上微电极施加外加电场，利用斯塔克效应实现对分子跃迁频率的精密调谐，最终成功实现了高稳定性、可控的独立全同单光子源片上集成，有效突破了上述三大实验挑战。
图1. 混合集成光量子芯片。a. 光量子芯片实物照片；b. 光量子芯片上集成24个双光子量子干涉器件(光学显微照片)；c. 一个双光子量子干涉器件由分子掺杂的单晶微纳晶片、氮化硅光子元件(波导W1,2,3,4、2×2多模干涉仪和光栅耦合器和金属微电极的混合集成；d. 波导W1和W2(两侧有金电极)、多模干涉仪以及其中一个光栅耦合器的SEM图像；e.DBT分子结构及其能级示意图；f. 片上双光子量子干涉实验示意图。
合作团队通过上述有机-无机混合集成方案，一方面保障了分子所处的纯净固态环境，有效抑制了分子频率的抖动漂移；另一方面借助斯塔克效应，对两个独立波导上的单分子单光子源分别实施精确调控，成功消除了不同分子间的跃迁频率差异；同时利用片上单模光路极高的模式匹配度，确保了光子干涉效率。最终成功实现了独立单分子单光子源间的全同双光子量子干涉，干涉可见度高达0.97，在已报道的独立单量子体系单光子源全同光子量子干涉实验中，创下了目前最高的干涉可见度纪录(图2)。
图2.高可见度的片上全同光子量子干涉。a.片上同频分子间双光子量子干涉实验示意图；b. 借助斯塔克效应将两个分子的跃迁频率精细调谐一致；c.两个分子的共振荧光光谱重叠；d-f. 当两个分子频率一致时，不用激发水平下(S= 2, 4, 9)的二阶互相关函数g(2)HOM(τ)；g.当M1和M2具有3.8 GHz大频差时的二阶互相关函数g(2)HOM, d(τ)；h.干涉可见度V(τ)与理论可见度曲线的比较。
该团队还通过主动引入并精准调控独立单光子源间的跃迁频率差，使其稳定在200 MHz，观测到双光子量子干涉的二阶互相关函数中呈现周期为5 ns的量子拍。该量子拍的持续时间可达100μs量级，是分子激发态寿命的2万倍以上(图3)。这一现象揭示了发射光子的超长相干性(波动性)与高单光子纯度(粒子性)，为光量子技术应用拓展了新方向。
图3.片上量子干涉拍。a.片上失谐分子间双光子量子干涉实验示意图；b. 当分子M1和M2被两束激光同时共振激发时，发射光谱测量显示两个分子频率相差200MHz；c.弱激发下(S= 0.2)的二阶互相关函数；d. 100微秒长时延附近的二阶互相关函数；e-h.不同激发水平下(S= 0.5、1、3和9)的二阶互相关函数。
该项研究突破了集成量子光子学中长期存在的关键障碍，实现了芯片上独立单光子源间的高可见度量子干涉，为未来基于片上集成单光子源的量子逻辑运算奠定了基础。这一成果不仅是构建大规模光量子处理器的重要一步，也为量子光学和波导量子电动力学研究提供了稳定可靠的实用平台。
我校物理学院博士生黄泰临、许淼淼、金伟、池轶瑄和浙江大学光电学院刘卫喜博士为论文共同第一作者；物理学院博士任鹏龙、韦尚明以及博士生白正萱作出重要贡献；陈学文、唐建伟和浙江大学光电学院时尧成教授为论文的共同通讯作者；我校为第一通讯单位。
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