Generation of Coherent Quantum Light from a Single Impurity-Bound Exciton

在构建一个从根本上安全且能够解决当前计算机无法处理的问题的未来互联网的过程中，科学家们正转向最小的光学单位。这些被称为光子的单位，可以通过一种被称为“相干性”的微妙平衡状态来携带信息，在这种状态下，它们的波粒特性是完美同步的。为了创建一个基于这一原理的网络，研究人员需要一个可靠的来源，能够按需逐个发射这些光子，同时保持其量子态完好无损。一个极具前景的角色候选者是固体晶体中的一个微小缺陷，具体来说，是捕获在半导体材料中的一个原子。当光照射到这个被捕获的原子时，它可以与电子形成一个结合对，从而产生一种被称为“激子”的粒子。如果这对粒子被特定的杂质原子紧紧束缚，它就可以作为一个稳定的、明亮的点光源。然而，为了使这些光源在先进的量子网络中发挥作用，必须使用与它们能量完全匹配的激光器来驱动它们，这种技术被称为“共振激发”。以往在某些材料中使用这种方法往往会失败，因为激光光会淹没来自原子的微弱信号，或者因为原子失去电荷而停止发光。

一支研究团队现在已成功演示了一种方法，可以从硒化锌晶体中的单个杂质结合激子中产生相干量子光。通过精心设计一个微观的材料柱并使用一种精确的激光调谐方法，他们成功地让嵌入晶体中的单个氯原子发出了一股稳定、量子的光流。实验表明，当激光被调谐到激发原子所需的精确能量时，产生的光与激光本身保持了完美的相位关系，这是在长距离传输量子信息时的关键要求。研究人员发现，这种光源具有极高的效率，几乎所有的发射能量都表现为一种尖锐、纯净的颜色，而不是由于晶体内的振动而损失掉。他们还发现，该原子在受到光照射时表现出一种可预测的行为，这使得他们能够通过短暂施加第二束较弱的激光，以极快的速度实现发射的开关控制。这项工作证明了这些硒化锌中的特定缺陷可以用实现未来量子技术所需的精度进行控制，为构建量子网络提供了一条明亮且稳定的路径。

通往这一结果的旅程始于一种特定的材料：一层生长在砷化镓（GaAs）基底上的薄层硒化锌半导体晶体。在这一层内部，研究人员放置了一个单个的氯原子，它充当了激子的陷阱。为了让这个微小的陷阱在发送光线方面变得可见且高效，他们将晶体雕刻成一个仅几百纳米宽的微观柱，并用一种特殊的玻璃状材料制成的微型透镜对其进行封盖。这个结构就像一个漏斗，收集由单个原子发出的光，并将其导向探测器。团队将整个装置冷却到了3.2开尔文的极低温，仅比绝对零度高出几度，以平息那些会扰乱微妙量子信号的热振动。

核心挑战在于如何在不淹没信号的情况下激发原子。在早期的实验中，科学家使用宽谱的高能激光来泵浦材料，虽然有效，但产生的光具有抖动性，缺乏量子计算所需的精确定时。新方法需要一种可以调谐到原子跃迁精确能量的激光。研究人员建立了一个系统，其中一台可调谐激光器的颜色可以进行极精细的调节，并射向纳米柱。为了将原子的微弱光芒与激光自身的强烈反射分离，他们使用了一个涉及偏振的巧妙技巧。通过旋转光波的方向，他们可以过滤掉反射的激光光，同时让原子的发射通过，实现了此前难以达到的清晰度。

当激光被调解到氯结合激子的精确能量时，原子开始发出稳定、明亮的光。研究人员测量了这种光，发现它不仅仅是随机的单光子脉冲，而是一个保持了驱动激光相位关系的相干流。这意味着光波与创造它们的激光保持步调一致，这一特性对于创建纠缠态和挤压光对于先进通信至关重要。他们还观察到，这种光具有极高的纯度，即具有特定的干净、尖锐的发射与嘈杂的振动侧带的比率。通过分析光的频谱，他们计算出了一个被称为德拜-华勒因子（Debye-Waller factor）的数值，结果为0.94。这个数字表明，94%的光是以期望的尖锐颜色发射的，这一数值在固态光源中处于最高水平之列。

团队还研究了原子在受到激光照射时随时间变化的特性。他们发现，共振光在激发原子的同时也产生了一个副作用：它可能会将原子从其带电状态中踢出，导致其停止发光。这个过程发生得很快，在微秒量级内，但研究人员找到了修复方法。通过短暂发射第二束不调谐于原子共振的弱激光，他们可以重新为原子充电并恢复其发光能力。这种恢复发生在不到10纳秒的时间内，其时间尺度足以实现快速切换。这种能够如此快速且可靠地开启和关闭量子光的能力，表明这些杂质可以用作未来量子电路中的开关。

研究人员通过测量光子到达探测器的方式，确认了他们所看到的光来自单一来源。他们发现光子是一个接一个到达的，从未成对出现，这是真正的单光子发射器的标志。他们还绘制了光强随激光功率调整而变化的关系图，观察到一种非线性响应，即在极低功率下，光的行为会发生变化。这种行为暗示了利用这些发射器创建仅需少量光子即可运行的光学门的可能性，这是构建量子计算机逻辑门的关键一步。

在整个研究过程中，研究人员排除了几种替代性的解释。他们证明了光的颜色展宽并非由激光功率本身引起，而是由原子周围微小的电环境波动引起的。他们还表明，信号的损失并非由于原子单纯耗尽能量，而是由于原子向附近陷阱失去电荷的特定过程。通过系统地测试这些可能性，他们构建了关于该系统运作方式的清晰图像。结果表明，带有氯杂质的硒化锌是一个生成相干量子光的稳健平台，兼具高效率以及通过电学和光学进行控制的能力。这项工作为操纵物质量子态提供了新的工具集，为更复杂的量子网络和信息处理实验铺平了道路。