Asymmetric two-photon response of an incoherently driven quantum emitter

在追求构建量子互联网或量子计算机的过程中，科学家们依赖于一种非常特殊的、特定的光：一种由单个粒子组成的流，即一个接一个发送的单光子。为了让这些机器正常工作，光源必须极其精确，能够以近乎完美的可靠性一次只发射一个光子。如果光源不小心同时发送了两个光子，量子计算机精密的计算可能会失败，或者量子信息的安全性可能会被破解。创造这种完美流的最具前景的工具是量子点，它们是由半导体材料制成的微小的人造原子。当受到激光脉冲照射时，这些量子点理应吸收能量并立即释放出一个单光子。然而，自然界很少如此简单。即使是在完美的设置下，激光脉冲的时间也足够长，以至于量子点可能会吸收能量、释放一个光子，然后在脉冲结束前再次被激发。这种“再激发”现象会导致第二个光子的产生，从而破坏单光子流的纯度。

多年来，研究人员一直使用一种称为共振驱动的方法来研究这个问题，即让激光的频率与量子点的自然频率完全匹配。但另一种更稳健的方法已经出现：使用略微失谐的激光，并依靠材料内部的振动（称为声子）来帮助量子点吸收能量。这种声子辅助方法之所以备受青睐，是因为它对激光的不完美之处不那么敏感，并且更容易滤除多余的激光光。然而，直到现在，还没有人确切知道在这种特定条件下，再激发问题是如何表现的。一组物理学家现在详细绘制了这个过程的图谱，揭示了由单个脉冲产生的两个光子不仅仅是“同卵双胞胎”；它们在时间和颜色上有着本质的区别。通过理解这些差异，研究人员找到了一种过滤掉不需要的第二个光子的方法，从而确保无论激光脉冲有多长，都能获得纯净的单光子流。

故事始于一个量子点，这是一种如此之小的半导体材料微粒，以至于它能以模拟单个原子的方式捕捉电子。在这次实验中，研究人员使用了一个由铟镓砷制成的量子点，并将其嵌入到一个旨在帮助其高效发光的结构中。他们用一个短促的蓝失谐激光脉冲照射这个量子点。“蓝失谐”简单来说，意味着激光的颜色比量子点的自然偏好具有更高的能量。为了弥补这个差距，量子点必须从其自身晶格的振动（即声子）中借取能量。这种相互作用使得量子点能够跃迁到激发态。这个过程就像一场两步走的舞蹈：量子点首先抓取一个光子和一个振动，然后沉降下来释放出一个光子。

研究人员感兴趣的是，当激光脉冲足够长，以至于量子点可能在脉冲结束前完成激发、释放光子并再次被激发时会发生什么。这就是再激发事件。利用一套能够记录每个光子精确时间和颜色的精密装置，他们追踪了这些罕见的双重发射事件。他们发现，在单个再激发事件中产生的两个光子在发射时间或属性上并不相同。第一个光子是在激光脉冲仍在与量子点相互作用时发射的。由于激光仍然存在，它会实时改变量子点的能量水平，这种现象被称为动态斯塔克效应（dynamic Stark effect）。这导致第一个光子的颜色（或频率）与量子点的自然发射颜色略有不同。它也被发射得非常快，紧随激光脉冲本身的形状。

然而，第二个光子讲述了另一个故事。它仅在激光脉冲完全通过且量子点回到自然状态后才会被发射。因此，第二个光子具有量子点的自然颜色，并且是在较长的一段时间内发射的，遵循激发态的自然衰减时间。研究人员以高精度测量了这些差异。他们观察到，第一个光子的颜色偏移量取决于激光的强度。通过测量这种偏移，他们可以计算出激光与量子点之间相互作用的强度，即拉比频率（Rabi frequency），而无需进行通常此类测量所需的复杂相干相互作用。这为观察非相干驱动过程提供了一个直接的窗口。

最重要的发现不仅在于观察到了这些差异，还在于如何利用它们。由于第一个光子（不需要的光子）与第二个光子（需要的那个）具有不同的颜色，研究人员意识到可以使用一个简单的颜色过滤器将它们分离。他们在光路中放置了一个只允许自然颜色通过的过滤器。当他们进行测试时，结果令人瞩目。在没有过滤器的情况下，随着激光脉冲变长，不需要的双光子事件数量稳步增加。但在安装了过滤器后，即使脉冲长度发生变化，这些误差的数量也保持在较低且稳定的水平。该过滤器有效地阻挡了第一个发生偏移的光子，同时让第二个纯净的光子通过。

这一发现为量子技术中的一个持久问题提供了实际的解决方案。随着科学家制造出具有更快发射速率的更好量子点，再激发的风险也会随之增加，因为量子点衰减得非常快，更有可能被同一个脉冲再次击中。传统的抑制方法（例如缩短激光脉冲）是有极限的。这种新方法利用激光本身引起的自然颜色偏移，可以实现高纯度的单光子源，并且对脉冲长度的变化具有鲁棒性。这意味着对于量子密码学和量子计算等对光纯度要求极高的应用领域，该系统可以在无需不断调整激光定时的情况下保持高性能。研究人员证明，通过仅仅理解并基于再激发过程独特的频谱特征进行过滤，就可以抑制通常限制这些量子源的噪声，从而为更可靠、更具扩展性的量子技术铺平道路。