Filter-Free Indistinguishable Photon Generation from Continuous-Wave-Driven Integrated Microresonators
本文表明，通过优化探测器时间窗口而非依赖光谱滤波，连续波驱动的高Q值氮化硅微谐振器可以产生无滤波、高度不可区分且具有近乎单位可见度和效率的光子对，从而使其成为量子网络的规模化平台。
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在构建量子互联网的探索过程中，科学家们正在寻找一种利用被称为光子的单个光粒子来传输信息的方法。这些粒子作为数据的载体，对通常会干扰脆弱量子态的环境噪声具有极强的抵抗力。为了使该网络发挥作用，系统的不同部分必须能够相互通信，这要求从不同光源发送出的光子在各方面都必须是完全相同的。如果两个光子到达一个接点且彼此无法区分，它们会以一种特定的、可预测的方式相互干涉，从而实现复杂的量子操作。然而，制造出这种完美的双胞胎非常困难。一种常见的方法是使用连续的激光流来激发一个由氮化硅制成的微小环形结构，该结构随后将激光能量分裂成对的光子。虽然这种方法效率高且易于集成到计算机芯片上，但一种长期的理论认为，通过这种方式产生的光子总是会携带一个将其与伙伴联系起来的隐藏“指纹”，使得它们在到达探测器时无法相互区分。这将使它们无法进行量子网络所需的精确干涉。
现在，一组研究人员已经证明，这一理论限制并非一道硬性的墙，而是对探测过程原理的一种误解。通过仔细控制观察光子的时机，他们发现了一种擦除使光子看起来不同的隐藏联系的方法。科学家们构建了一个包含两个此类微型环形谐振器的微芯片，并用连续激光对其进行泵浦。他们并没有尝试通过过滤光线来去除不需要的频率——这是一个会浪费大部分光子的过程——而是将重点放在了检测的时序上。他们发现，通过缩小接受其中一对光子中一个信号的时间窗口，他们可以有效地筛选出另一个光子中最完美、最不可区分的版本。这种技术依赖于光子的自然时序，而非对光源本身进行复杂的工程改造，使他们能够产生近乎完全相同的光子对。
研究人员通过将来自两个独立光源的光子送入芯片上的一个分束器来测试这一点。当两个相同的光子相遇在这样的分束器时，它们总是会一起从同一条路径退出，这一现象是测试它们不可区分性的决定性实验。团队测量了这种情况发生的频率，并发现他们的光子表现得完全一致，可见度达到了 0.992，这意味着它们有 99.2% 的时间是不可区分的。这一结果是在没有进行背景扣除或对光源进行复杂调整的情况下实现的，证明了从正确的时域视角来看，这些光子天生就是高质量的。此外，通过独立调整两类光子的检测窗口，他们成功地在保持这种高水平相似性的同时，也捕捉到了大量的成功事件，在一种配置下达到了每秒 4.5 次成功的四光子事件，而在另一种配置下达到了 12.2 次。
这项工作挑战了之前的假设，即连续波激光不可避免地会产生相关性过强而无法使用的光子。研究表明，光子的纯度不仅由光源本身决定，还受到探测器如何以及何时观察它的影响。通过使用高质量的氮化硅平台，该团队创建了一个既稳健又具扩展性的系统，避免了需要昂贵的脉冲激光器或复杂的热调控机制，而这些机制会使其他设计变得复杂化。研究结果表明，连续波驱动的微谐振器是构建未来大规模量子网络的切实可行且实用的基础，为在不牺牲效率的前提下生成量子隐形传态和纠缠交换所需的不可区分光子提供了一条路径。
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