中经联播7月11日中山讯（张力 陈一夫 崔威汉）在量子世界的奇妙法则下，一对光子即使相隔万里也能瞬间“心灵感应”，而中国科学家刚刚在纳米尺度上建成了专门制造这种“量子双胞胎”的先进工厂。

中山大学物理学院王雪华、刘进教授团队提出全新的腔诱导自发双光子辐射方案，在国际上率先实现与单光子辐射强度相当的自发双光子辐射，研发出保真度高达99.4%的按需触发式新型微纳量子纠缠光源。

这项突破性成果于7月9日在线发表于国际顶级期刊《自然》杂志，为新一代量子精密测量技术发展和功能化光量子信息处理芯片构建提供了关键支撑。

量子世界的“心灵感应”

在量子物理领域，纠缠光子对被誉为“幽灵般的超距作用”。一对纠缠光子即使相隔万里，测量其中一个的状态，另一个会瞬间“回应”。

这种神奇现象被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”，如今已成为量子计算、量子通信和量子精密测量的核心资源。

传统量子光源主要通过自发参量下转换过程产生光子对。然而这种方法存在根本局限：光子对是随机“结对子”产生的，效率低且不可控。

近40年来，国际上众多研究团队尝试突破这一瓶颈，但始终未能取得实质性突破。

中山大学团队选择了一条创新路径：直接培育光子“双胞胎”，让它们自诞生时便具备“量子羁绊”。

“某些特殊材料有概率在同一时刻发射两个紧密关联的光子，这种现象被称为‘自发双光子辐射’。”论文第一作者、中山大学物理学院副教授刘顺发解释道。

六十年理论预言终成现实

自发双光子辐射的理论预言可追溯至20世纪60年代。但实验实现长期面临巨大障碍：

原子总是倾向于一次只辐射一个光子，“双胞胎”光子的产生概率通常不足单光子产生概率的0.1%，实验上几乎无法观测。

这一困境的根本原因在于量子力学的基本特性：光子辐射的二阶量子过程必然远弱于一阶过程。

近年来，半导体材料与器件加工技术的突破为自发双光子辐射实验提供了契机。中山大学团队在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持下，经过近6年攻关，终于攻克关键技术瓶颈。

“我们设计了超高品质的光学微腔，并在微纳尺度上精细调控光子的产生过程。”刘顺发说。这种光学微腔为“双胞胎”光子的产生搭建了专属通道，在实验中将双光子的辐射效率从小于0.1%提升到了约50%，提升幅度达500倍。

纳米工厂的技术密码

团队创造的“双光子工厂”核心技术在于两大突破：

亚纳米精度装配：将位置随机分布的纳米尺寸固态“人造原子”以小于50纳米的偏差装配到微米直径微腔的指定位置，同时确保微腔频率与双光子辐射通道的频率偏差小于1GHz。

量子态精密操控：首创量子点级联共振泵浦方案，对固态人造原子进行相干的光学操控，确定性制备原子激发态，如同“光子节拍器”般让光子辐射保持同步。

“我们就像在纳米尺度上打造了一个专门生产纠缠光子的工厂。”刘顺发形象地比喻道。该研究基于纳米尺寸的固态“人造原子”结构，提出了一种腔诱导的自发双光子辐射方案。

这一方案突破了“光子辐射的二阶量子过程必然远弱于一阶过程”的传统认知，在国际上率先实现了与单光子辐射强度相当的自发双光子辐射。

创纪录的99.4%保真度

实验数据显示，该新型纠缠光源的量子保真度高达99.4%，创下世界纪录。

“这一指标意味着我们的纠缠光子‘心灵感应’的强度极高，”刘顺发表示，“也显示出这项技术在提升量子通信安全性、量子计算可靠性、量子计量精度等方面的巨大潜力。”

《自然》杂志审稿人高度评价这一成果，称其为“双光子研究领域的突破性进展”，实现了“保真度创纪录的纠缠光子对”。

该工作由中山大学主导完成，中山大学物理学院教授刘进为论文通讯作者，王雪华教授提供重要指导。研究团队还包括中科院半导体所、德国多特蒙德大学、天津大学等多家机构的科学家。

量子未来的中国基石

这一突破性进展的意义远超单一技术突破：

开辟量子光源新路径：为高保真度纠缠光源和高纯度双光子态的制备开辟了新道路，克服了传统非线性自发参量下转换过程的性能瓶颈。

提供量子研究新平台：为理解单光子水平的光与物质非线性相互作用提供了新思路，为探索更高阶的量子辐射效应提供了可靠平台。

奠定量子芯片新基础：为构建可扩展、高容错率的集成光量子信息处理芯片提供了关键量子资源。

刘顺发表示，下一步团队将利用研究中实现的高保真度纠缠光源和高纯度双光子源，继续开展量子精密测量与量子通信应用方面的研究。

量子科技领域的全球竞赛中，中国团队用六年时间将六十年前的理论预言转化为纳米尺度上的“双光子工厂”。

《自然》审稿人称之为双光子研究领域的突破性进展，而99.4%的保真度纪录更像一扇门，门后是量子通信、量子计算和量子精密测量的新天地。

当被问及下一步计划时，刘顺发望着实验室里闪烁的量子光学测量设备回答：利用这个纳米工厂，让更多量子“双胞胎”走出实验室，连接世界。