光子是量子信息傳輸?shù)睦硐胼d體以及量子信息處理的重要載體，單光子源是光量子計(jì)算、分布式量子計(jì)算、量子通信、量子精密測(cè)量等量子技術(shù)的核心組成部分。目前，單光子源的制備主要依賴兩種技術(shù)路徑：一種是基于自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）或自發(fā)四波混頻（SFWM）的概率性方法；另一種則是基于單量子體系自發(fā)輻射的確定性方法，如冷原子、離子阱、量子點(diǎn)或色心等系統(tǒng)。近年來(lái)，發(fā)射型量子點(diǎn)單光子源在實(shí)現(xiàn)理想單光子源方面取得了顯著進(jìn)展，表現(xiàn)出接近100%的單光子純度與光子全同性。然而，發(fā)射型單光子源仍存在一定局限性：受限于激子壽命的兩倍，其一階相干時(shí)間極短（僅為幾十至數(shù)百皮秒），且光子全同性易受電荷噪聲和自旋噪聲的影響而退化。未來(lái)，量子互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展將依賴于基于雙光子干涉或單光子干涉的相干量子通信，要求單光子源具備良好的相干性與魯棒的光子全同性。發(fā)射型單光子源在當(dāng)前階段尚難以完全滿足這一需求。盡管激光本身具有優(yōu)異的相干性，卻無(wú)法通過(guò)線性光學(xué)元件直接衰減為單光子態(tài)。

針對(duì)以上問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)與中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所合作，提出并實(shí)現(xiàn)第三種單光子源的制備方法——激光轉(zhuǎn)換型單光子源（LCSPS）。區(qū)別于常用于發(fā)射型單光子源的傳統(tǒng)單邊光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種對(duì)稱的雙邊光學(xué)微腔[見(jiàn)圖1(a)]，該結(jié)構(gòu)無(wú)需依賴正交偏振濾波即可有效抑制激光受腔的散射。激光在經(jīng)過(guò)量子點(diǎn)微腔耦合系統(tǒng)反射后，被直接轉(zhuǎn)換為單光子[見(jiàn)圖1(a)]，并展現(xiàn)出以下優(yōu)異性能：超長(zhǎng)相干時(shí)間 [258±2微秒, 見(jiàn)圖2(b)] 、魯棒的光子全同性[94.3±0.2%，見(jiàn)圖2(c)], 以及完美的單光子純度[g⁽²⁾(0)=0.030±0.002，見(jiàn)圖1(e)]。以上數(shù)據(jù)均為原始測(cè)量結(jié)果。

激光轉(zhuǎn)換型單光子源的工作原理可基于單量子點(diǎn)的飽和非線性效應(yīng)與單光子開(kāi)關(guān)效應(yīng)進(jìn)行定性解釋：當(dāng)單個(gè)光子與量子點(diǎn)相互作用而被反射后，在激子壽命的時(shí)間尺度內(nèi)，后續(xù)入射光子會(huì)因量子點(diǎn)進(jìn)入飽和狀態(tài)而發(fā)生透射。這一過(guò)程使得反射光表現(xiàn)出反群聚行為，呈現(xiàn)單光子特性；而透射光則呈現(xiàn)群聚效應(yīng)，具備多光子特性。其背后的深層物理機(jī)制源于相干態(tài)（即激光）與多光子態(tài)之間的量子干涉。該干涉過(guò)程有效抑制了反射光場(chǎng)中多光子成分的出現(xiàn)概率，將反射的激光光場(chǎng)變成單光子。

由于繼承了激光的一級(jí)相干性與魯棒的光子全同性，激光轉(zhuǎn)換型單光子源可廣泛應(yīng)用于基于干涉的多種量子通信協(xié)議、單光子相控陣量子雷達(dá)及鎖模單光子源等新型量子技術(shù)，有望成為未來(lái)量子互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)量子光源。