潘建伟院士、陆朝阳教授、霍永恒教授领衔团队，扩展高于损失容忍阈值的高效单光子源至每秒167万光子，纯度超98%！

光子损失是可扩展光量子信息处理的最大敌人，而该问题可以使用量子纠错来解决，前提是总的光子损失低于1/3这个阈值。然而，所有已报道的按需和不可分辨的单光子源仍然达不到这个阈值。

2月28日，合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学技术大学、量子信息与量子科技创新研究院、合肥国家实验室、微纳研究与制造中心组成的研究团队在《Nature Photonics》期刊上发表题为“High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing”（用于高效线性光量子计算、高于损失容忍阈值的高效单光子源）的研究论文，Xing Ding、Yong-Peng Guo、Mo-Chi Xu、Run-Ze Liu为论文第一作者，潘建伟院士、陆朝阳教授、霍永恒教授为论文共同通讯作者。

该研究在确定性地耦合到可调谐开放微腔的高量子效率单量子点上使用裁剪整形激光脉冲激发，展示了一个高性能的单光子源——多光子错误率低至0.0205(6)，光子不可分辨率为0.9856(13)，整个系统效率为0.712(18)。

这是第一次达到可扩展光量子计算的效率阈值。利用该源，团队进一步演示了1.89(14)dB的强度压缩，以及计数率为1.67mHz下40个相继的光子事件。

光子丢失的“克星”：高效率单光子源如何点亮量子计算的未来？

在量子信息处理领域，光子因其快速传播、室温操作以及与环境的弱相互作用而备受关注。然而，光子丢失问题一直是可扩展光量子计算的最大挑战。

根据量子纠错的阈值定理，只要物理错误率低于某个阈值，就可以通过量子纠错实现容错量子计算。

对于光子系统，Varnava等人指出，只要单光子源与探测器的效率乘积高于2/3，线性光学量子计算就成为可能。这一理论为开发高效率单光子源提供了动力。

过去几十年中，量子光源的性能取得了巨大进步，但现有的单光子源效率仍低于量子纠错所需的阈值。

因此，开发高效率、高纯度、高不可分辨性的单光子源，对于实现可扩展的光量子计算至关重要。

量子点与微腔耦合的优化设计

该研究的理论基础围绕如何实现高效率的单光子源展开。

核心思想是利用量子点（QD）作为确定性的单光子发射器，并将其嵌入到可调谐的开放微腔中。量子点在微腔中的耦合可以通过调节微腔的几何结构和量子点的位置来优化。

微腔的设计采用了平面-凹面的法布里-珀罗腔构型，顶部为5.5对SiO₂/Ta₂O₅的分布式布拉格反射镜（DBR），底部为λ厚度的量子点膜，直接生长在30对AlAs/GaAs平面上。

通过分子束外延技术，量子点与微腔实现了高效的光子耦合。为了进一步提高单光子源的效率，该研究引入了激光脉冲整形技术。用4f光学脉冲整形系统，将激光脉冲的频率成分转化为空间成分，再将其进行逆过程还原。

在傅里叶平面上设置可调谐的狭缝，可以滤除不需要的频率成分，从而优化脉冲宽度。

理论分析表明，调整脉冲宽度，可以在保持单光子纯度的同时，显著提高单光子的产生效率。此外，该研究还考虑了脉冲宽度与时间域脉冲长度的关系，以避免量子点的再激发，从而保证单光子源的高纯度。

在量子纠错的背景下，该理论方法为实现高效率单光子源提供了关键支持。通过优化量子点与微腔的耦合，以及通过脉冲整形技术优化激发条件，这项研究提出了一种能够突破量子纠错阈值的单光子源设计方案。

突破效率瓶颈：量子点与微腔耦合的高效率单光子源设计

实验的核心是构建一个基于量子点与可调谐开放微腔耦合的单光子源。

实验装置包括一个平面-凹面的法布里-珀罗腔，顶部为5.5对SiO₂/Ta₂O₅的分布式布拉格反射镜，底部为λ厚度的量子点膜。量子点膜通过分子束外延技术生长在30对AlAs/GaAs平面上。

为了实现量子点与微腔的高效耦合，实验采用可调谐的开放微腔设计，凭借三个压电纳米定位器，可以精确调整微腔的几何结构，从而实现量子点与微腔的光谱和空间耦合。

为了优化单光子源的性能，采用激光脉冲整形技术。通过4f光学脉冲整形系统把激光脉冲的频率成分转化为空间成分，再将其进行逆过程还原。通过在傅里叶平面上设置可调谐的狭缝，可以滤除不需要的频率成分，从而优化脉冲宽度。

实验中测试了不同脉冲宽度下的单光子源性能，发现脉冲宽度为69GHz时，单光子源的效率和纯度达到最佳平衡。

实验中还采用了时间分辨的单光子计数技术来测量单光子源的性能。通过超导纳米线单光子探测器（SNSPD），记录了单光子的到达时间，并分析了单光子的强度压缩特性。

实验结果显示，单光子源的强度压缩达到了1.89dB，表明其性能显著优于传统的单光子源。

此外，实验还测试了单光子源的不可分辨率，利用Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉仪测量了单光子在不同时间延迟下的干涉可见度。

最终结果表明，即使在2.67微秒的延迟下，单光子的不可分辨率仍高达0.959，证明该单光子源接近变换极限，适合用于可扩展的量子计算应用。

图1：在完全可调谐的开放腔装置中的量子点的设计。

图2：在完全可调谐的开放腔装置中的量子点的设计，整形优化脉冲激发下的高效单光子源。

图3：单光子源的系统效率表征。

图4：脉冲射频单光子源的表征。

高效率单光子源突破：开启可扩展量子计算之门

这项研究成功实现了一种高效率的单光子源，其性能指标首次达到了可扩展光量子计算所需的效率阈值。

实验结果显示，该单光子源的单光子纯度为0.9795，不可分辨率为0.9856，系统效率为0.712。这些指标表明，单光子源在性能上取得了重大突破。

此外，实验还展示了单光子源的强度压缩特性。通过时间分辨的单光子计数技术，测量了单光子的强度压缩达到了1.89dB，这一结果表明单光子源的强度波动显著低于散粒噪声极限。这一特性对于量子计算中的错误抑制具有重要意义。

研究成果不仅为实现可扩展的光量子计算提供了关键技术支持，还为量子通信、量子传感等领域的应用奠定了基础。优化量子点与微腔的耦合，以及改进脉冲整形技术，有望进一步提高单光子源的性能，推动量子技术的广泛应用。

主要参与人员

潘建伟，实验物理学博士，中国科学技术大学教授、中国科学院院士、发展中国家科学院院士、奥地利科学院外籍院士，现任中科院量子信息与量子科技创新研究院院长。

他主要从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究。他和同事实现量子隐形传态的研究成果于1999年同伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论等影响世界的重大研究成果一起被英国《自然》杂志选为“百年物理学21篇经典论文”。

其研究成果多次入选《自然》杂志评选的年度重大科学事件、美国《科学》杂志评选的“年度十大科技进展”、英国或美国物理学会评选的“年度物理学重大进展”以及两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”。

陆朝阳，剑桥大学物理学博士，中国科学技术大学教授，长期致力于面向实用化的量子信息技术研究，在《自然》《科学》《美国科学院院刊》《现代物理评论》发表论文多篇，2020至2022年间连续入选“科睿唯安”全球高被引学者。

他的主要科学贡献包括证明虚数i在量子力学中的必要性，奠定量子信息科学的数学基础；实现最高品质的单光子和纠缠光源，构筑量子信息技术的物理基础；光量子信息技术的里程碑式突破：多自由度隐形传态和九章量子计算。

霍永恒，中国科学技术大学教授，博士生导师。曾入选国家高层次人才特殊支持计划科技创新领军人才、国家创新人才计划青年项目、上海高层次人才引进计划创新人才长期项目、上海浦江人才、明珠领军人才等。作为负责人承担国家自然科学基金项目，国家科技创新2030重大项目课题，重点研发计划课题，中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队等项目多项。

参考链接

[1]https://www.nature.com/articles/s41566-025-01639-8

[2]https://quantum.ustc.edu.cn/web/node/32

[3]https://quantum.ustc.edu.cn/web/node/137

https://faculty.ustc.edu.cn/huoyongheng/en/index.htm