“在量子技术的版图中，单光子源已经取得了长足进步，但‘成对’且‘纠缠’的光子源一直是更难以攻克的堡垒。传统的非线性晶体方法虽然常用，却受限于随机性——有时产生一对，有时多对，有时无对，难以精准控制。”

现在，来自北京量子信息科学研究院（BAQIS） 的袁志亮（Zhiliang Yuan）团队取得了一项里程碑式的突破。他们通过精心工程化单个量子点及其周围的微腔环境，首次实现了按需、高效且一致地产生纠缠光子对。实验数据显示，该系统产生的光子中，98.3% 都是以纠缠对的形式发射的。这项发表于《Nature Materials》的研究，为量子通信、量子计算和超高分辨率成像提供了前所未有的可靠光源。

核心挑战：从“随机”到“按需”⚠️ 传统方法的瓶颈

目前，产生纠缠光子对的主流方法是利用非线性光学晶体进行自发参量下转换（SPDC）：

原理：高能激光光子在晶体中分裂成两个低能纠缠光子。缺陷：这是一个概率过程。输出不可控：可能产生0对、1对，甚至多对（噪声）。效率与纯度的权衡：为了提高产生概率，往往会导致多对光子的噪声增加，破坏量子态的纯度。模式匹配难：产生的光子往往发散，难以高效耦合进光纤或芯片。

“虽然广泛使用，但这种方法有一个根本缺点……使得输出难以控制。”—— 文章背景

量子点的潜力

半导体量子点（几纳米大小的晶体）被视为理想的替代方案：

确定性：作为单个人工原子，它们可以被精确激发，理论上每次激发只产生固定数量的光子。可调谐：通过调整材料成分（如铟镓砷 InGaAs），可以精确控制能级和发射波长。挑战：如何诱导量子点一次性发射两个高度纠缠的光子，并提高其收集效率？️ 技术突破：微腔增强与暗态激子加载

袁志亮团队设计了一种巧妙的系统，结合了特种量子点与微柱腔（Micropillar Cavity）。

1️⃣ 核心机制：双激子级联发射激发过程：使用特定偏振的脉冲激光激发量子点，将其推入高能级的双激子态（Biexciton State）。级联衰变：双激子态不稳定，会通过两步衰变回到基态：发射第一个光子，转变为单激子态。迅速发射第二个光子，回到基态。纠缠来源：由于角动量守恒和能级结构，这两个连续发射的光子在偏振或时间上形成高度纠缠。2️⃣ 关键创新：珀塞尔效应（Purcell Effect）增强

仅仅有量子点还不够，团队引入了微柱腔来改造光子的“生存环境”：

结构：由多层部分反射镜堆叠而成的微小支柱，将量子点包裹其中。作用：共振增强：通过精确设计镜面排列，使腔体共振频率与量子点的双激子跃迁频率匹配。加速发射：利用珀塞尔效应，大幅缩短光子的辐射寿命，抑制非辐射复合和其他竞争通道。定向输出：微腔将光子约束在特定的光学模式中，极大提高了收集效率。暗态加载：研究还涉及一种称为“暗态双激子加载”的技术，进一步优化了激发路径，确保系统高效进入目标状态。

“通过仔细调整这些镜子的排列，研究人员改变了量子点的光子环境，增强了特定的发射路径。”—— Phys.org 报道

惊人的实验结果

团队的实验数据展示了该系统的卓越性能：

表格

指标

数值/表现

意义

成对发射率

98.3%

几乎每次激发都产生一对光子，极少出现单光子或多光子噪声。

纠缠质量

高相关性

光子对表现出强烈的量子关联，适合贝尔不等式测试等应用。

可控性

按需发射

通过脉冲激光触发，完全同步，无随机性。

集成度

单模输出

光子直接发射到定义良好的光学模式中，易于耦合进光纤或芯片。

“研究人员估计，所有发射的光子中有 98.3% 是成对出现的。”—— Bang Wu et al., Nature Materials (2026)

应用前景：开启量子技术新篇章

这种高可靠性、按需产生的纠缠光子源，将成为多种前沿技术的核心引擎：

1️⃣超安全量子通信网络量子密钥分发（QKD）：基于纠缠的协议（如 E91）具有最高的安全性。任何窃听行为都会破坏纠缠态，从而被立即发现。优势：98.3% 的成对率意味着极高的密钥生成率和极低的误码率，使长距离、大容量的量子互联网成为可能。2️⃣光量子计算线性光学量子计算（LOQC）：需要大量高质量的纠缠光子对作为资源态（如 Bell 态）。优势：确定性的光源消除了 probabilistic 源带来的巨大资源开销，大幅简化了量子线路设计。3️⃣量子成像与传感鬼成像（Ghost Imaging）：利用纠缠光子对的非局域关联性，实现超低光强下的高分辨率成像。生物医学：对光敏感的生物样本进行无损、超高分辨率的显微成像。优势：按需发射特性使得成像过程可同步、可控制，显著提升信噪比。 结语：从实验室走向现实

北京量子信息科学研究院的这项成果，标志着量子光源技术从“概率性尝试”迈向了“确定性工程”。通过巧妙结合量子点材料科学与微纳光子学，团队不仅解决了传统非线性晶体的痛点，更将纠缠光子对的产生效率推向了实用化的门槛。当我们可以像打开水龙头一样“按需”获取纠缠光子对时，量子技术的规模化应用就不再是遥远的梦想，而是触手可及的未来。

来源：Phys.org / Beijing Academy of Quantum Information Sciences (BAQIS) 论文：Bang Wu et al., "Purcell-enhanced two-photon emission from a quantum dot via dark-state biexciton loading", Nature Materials (2026). DOI: 10.1038/s41563-026-02522-9 关键词：#量子点 #纠缠光子对 #按需发射 #微柱腔 #珀塞尔效应 #量子通信 #北京量子院 #NatureMaterials #双激子