在量子技术领域，能够一次生成一个光粒子的能力，是构建安全通信网络和强大新型计算机的基本要求。这些被称为光子的单个光粒子，作为信息的载体，无法被复制或在不被察觉的情况下被拦截。然而，为了让这些系统有效运行，这些光子的源头必须既纯净又快速。纯度确保设备每次只发射一个光子，而不是随机爆发的多个光子；而速度则决定了在给定时间内可以发送多少信息。光源产生这些单粒子越快，该技术在实际应用中的实用性就越高，从而从缓慢的实验室实验转向高速的数据传输。
一支研究团队现在推向了这一速度的极限，创造出一种每秒产生超过5亿个单光子的流。这一成就代表了目前报道过的固态光源中最高的单光子通量。研究人员通过将连续的激光束切割成极短且精确的脉冲来实现这一目标。随后，他们利用这些脉冲去激发一种被称为“量子点”的微型半导体结构，这种结构充当了人工原子的角色。当受到激光脉冲撞击时，量子点吸收能量并立即将其重新发射为一个单光子。通过每秒重复这一过程五亿次，该团队创造了一个稳定的、高速的光流，其强度足以使用标准设备直接进行测量。
实现如此高速度的关键在于研究人员如何准备激光。他们并没有使用天然脉冲的激光器，而是从一束稳定的连续光束开始，利用电子开关将其切割成短促的闪光。这些闪光经过了极高精度的定时，使研究人员能够精确控制每个脉冲到达的时间。他们在不同的速度下对该系统进行了测试，最终以每秒十亿次脉冲的速度驱动量子点。在这个速度下，量子点在完全完成前一个光子的发射之前就被再次激发，从而导致信号开始出现重叠。尽管存在这种拥挤现象，该系统仍保持了高水平的质量，成功地向光纤中输送了超过每秒5亿个单光子。
为了验证其光源的性能，团队使用功率计（一种实验室中常见的用于测量光强度的设备）测量了光输出。这种方法提供了一种直接且简单的方法来计算系统的效率，而无需复杂的专用探测器。他们发现，在最高运行速度下，该光源提供的光功率超过了100皮瓦。对于单光子流来说，这听起来可能是一个微小的能量值，但它证实了该设备正以高效率运行。测量结果显示，该系统保持了超过50%的效率，这意味着由量子点产生的超过一半的光子成功进入了光纤电缆中以供使用。
研究人员还检查了光子的质量，以确保它们适用于先进的量子应用。他们检查了光是否确实是以单个数据包的形式发出的，以及光子之间是否具有不可区分性——这是量子计算机进行计算所必需的特性。虽然由于信号重叠，随着速度增加，质量略有下降，但结果依然稳健。团队证明，即使在这些极高的速率下，该光源仍能产生具备许多实际任务所需的纯度和不可区分性的光子。这项工作表明，通过仅仅提高激光脉冲的速度，就可以在不牺牲其有用性的基本属性的前提下，产生大量的量子光。
这一突破为开发需要高数据速率的量子技术提供了新路径。由于该光源产生的光量足以用现成的设备进行测量，这简化了此类设备的表征和校准过程。产生如此高通量单光子的能力，为更复杂的量子模拟实验打开了大门，并可作为计量学中测量光的可靠标准。通过证明固态光源可以在保持高效率的同时以吉赫兹（GHz）级别的速度运行，研究人员为下一代量子信息系统提供了一个关键组件，使超快速量子通信的承诺离现实更近了一步。
技术摘要：具有半吉赫兹单光子通量的光子源
问题与动机
先进的光学量子技术，包括量子信息处理、量子密钥分发（QKD）和量子增强机器学习，从根本上依赖于确定性的单光子源。这些协议的吞吐量随光源时钟频率线性缩放，但随光源效率呈指数级下降。此外，在通过光纤进行安全通信时，信号损耗和退相干要求高重复频率，以避免过长的积分时间。因此，对于能够提供纯净、不可区分光子，且能直接满足终端用户需求的光子源——特别是针对实现最高可能的单光子通量——存在紧迫的需求。
方法论
作者开发了一种基于嵌入光子晶体波导（PCW）中的 InAs/GaAs 量子点（QD）的确定性单光子源。实验方法包含三个主要部分：
- 脉冲整形（Pulse Carving）： 为了实现可调谐的高频激发，团队通过两个级联的、受温度控制的铌酸锂电光调制器（EOM）对连续波（CW）激光器（线宽 < 1 kHz）进行脉冲整形，从而生成激光脉冲。一个 FPGA 控制着重复频率和相对定时，而一个快速脉冲发生器定义了电脉冲持续时间（可在 40 ps 到 100 ps 之间调节）。该装置产生了具有 40 ps 半高全宽（FWHM）且在高达 1 GHz 的驱动速率下具有超过 40 dB 消光比的相干光脉冲。
- 量子点激发： 这些整形后的脉冲被用于共振激发 QD 中的中性激子态，该态的发射波长为 933.1 nm，衰减寿命 (τ) 为 220 ps。值得注意的是，收集光学系统被特意设计为不带光谱滤波器，旨在报告光源的固有性能极限，包括声子边带发射。
- 表征： 该光源通过时域迹线测量、二阶自相关函数 (g(2)(τ)) 以及 Hong-Ou-Mandel (HOM) 干涉实验进行了表征。至关重要的是，单光子流的光功率是使用标准的、现成的光功率计直接测量的，以此来确定系统效率。
关键结果
研究成功展示了一个在高达 1 GHz 激发速率下工作的单光子源，并实现了以下指标：
- 单光子通量： 在 1 GHz 激发速率下，该光源提供了 515 MHz 的纤内单光子通量。这代表了目前已报道的最高单光子通量。
- 系统效率： 系统效率通过光功率直接测量。在 1 GHz 激发下，光源产生了 110 pW 的光功率（在 π 脉冲驱动下），对应于 51.5% 的系统效率。在 80 MHz 和 500 MHz 时，分别记录到 56.2% 和 53.8% 的效率。
- 光子质量：
- 纯度： 在 80 MHz 时，零延迟处的二阶自相关函数 g(2)(0) 测量值为 (3.98±0.01)%；在 500 MHz 时为 (3.63±0.02)%；在 1 GHz 时为 (11.13±0.03)%。1 GHz 时纯度的上升归因于由于 220 ps 的寿命相对于 1 ns 周期，导致后续单光子脉冲之间的重叠。
- 不可区分性： 双光子干涉（HOM）测量得到的可见度 (VHOM) 在 80 MHz 时为 (81.83±0.03)%，在 500 MHz 时为 (80.87±0.03)%，在 1 GHz 时为 (55.14±0.03)%。作者指出，这些数值是在不使用光谱滤波的情况下获得的；添加滤波器后，80 MHz 时的 VHOM 提升至 92.30%，但会产生约 12% 的传输损失。
- 脉冲动力学： 40 ps 的激发脉冲明显长于 220 ps 的发射器寿命。虽然在这种条件下通常会增加多光子发射，但 PCW 几何结构促进了激光泄漏与多光子场之间的破坏性干涉，从而保持了高单光子纯度。
意义与主张
论文声称，通过结合 GHz 级的激发速率与超过 50% 的系统效率，作者制造出了一个单光子流，其通量超过 500 MHz，为固态光源树立了新的基准。
这项工作的独特贡献在于其效率表征的方法论。通过提供足以被标准功率计检测到的足够光功率（>100 pW），作者提供了一种“简单且直接的方法”来确定纤维效率。这种方法避免了超导纳米线单光子探测器（SNSPD）复杂的校准要求，因为 SNSPD 通常依赖于关于死时间、偏置电流以及光子数相关效率的假设。
作者建议将该光源立即应用于计量学中的功率标准，或作为 10–20 光子范围内的多光子量子模拟实验的解复用光源。他们预计，这一进展将解锁并赋能各种此前受限于光源通量的实验性光子量子信息协议。
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