Апдейт 09.Frb.2026 16:18 МСК
Китайские ученые разгадали давнюю загадку квантовой оптики , создав крошечное устройство, которое по запросу испускает пары световых частиц с беспрецедентной чистотой и эффективностью, что может иметь значение для квантовой гонки.
Исследователи из Пекинской
академии квантовых информационных наук опубликовали результаты в
журнале Nature Materials, продемонстрировав устройство, которое излучает фотонные пары с чистотой 98,3% и эффективностью генерации 29,9%, что было названо "лучшим в мире."
Двухфотонные источники способны удвоить пространственное разрешение в прецизионных измерениях и лежат в основе теоретически невзламываемого шифрования в квантовых сетях.
Физик из Ганноверского университета Лейбница Дин Фэй назвал результат "действительно впечатляющим", а это достижение продолжает недавнюю серию китайских прорывов в фотонной квантовой физике.
Кратко по сути механизма:
Проблема: генерация двух фотонов из одного источника крайне сложна. В традиционных кристаллах процесс случайный: лазерный фотон расщепляется, и иногда получаешь лишние пары, а иногда только одну пару.
Идея китайских учёных: использовать квантовую точку в микрокавитете и направить её в тёмное экситонное состояние.
Тёмный экситон — это «спящий» экситон, который не испускает фотон сразу, а удерживает энергию внутри.
Это позволяет набрать два электрона для биэкситона.
Биэкситон → каскад фотонов:
Два электрона в квантовой точке формируют биэкситон.
Биэкситон рекомбинирует через тёмный экситон, испуская два фотона последовательно, но почти одновременно, с высокой корреляцией.
Усиление через микрокавитет:
Кавитет усиливает процесс излучения (эффект Пёрселла), повышая эффективность и чистоту пары фотонов.
Результаты:
Чистота: 98,3% всех фотонов формируют пары.
Эффективность генерации: 29,9%.
Двухфотонная корреляция g²(0) ≈ 3,97, что подтверждает сильное парное излучение.
Практическая цель: создать надежный источник двух фотонов по требованию, пригодный для квантового интернета, фотонных процессоров и сверхточных сенсоров.
Разъяснения и комментарии редакции блога:
Почему источник двух фотонов сделать намного сложнее, чем источник одного
В квантовой оптике существует несколько типов источников света:
Обычный свет (лампа, лазер)
Фотоны испускаются случайно — иногда один, иногда много.
Источник одиночных фотонов
Устройство гарантирует, что за один импульс выходит только один фотон.
Источник фотонных пар (то, что сделали китайские исследователи)
Устройство должно выпускать ровно два фотона одновременно и почти никогда — один или три.
Вот именно третий вариант и является крайне сложным.
Основная физическая проблема
В квантовых системах есть естественный каскад излучения:
возбуждённое состояние → фотон → промежуточное состояние → фотон → основное состояние
То есть фотоны обычно выходят по очереди, а не как единая пара.
Чтобы получить настоящую двухфотонную эмиссию, нужно заставить систему:
излучить два фотона как единый квантовый процесс.
Это гораздо более редкий и слабый процесс.
Длинное резюме от редакции блога
Китайские учёные из Beijing Academy of Quantum Information Sciences создали устройство, которое по запросу испускает пары фотонов с рекордной чистотой — 98,3% фотонов выходят именно парами, и эффективностью генерации около 30%. Это важно, потому что в квантовой оптике делать двухфотонный источник значительно сложнее, чем источник одиночного фотона. Фотоны обычно выходят по очереди или случайно, и даже специальные источники одиночных фотонов не гарантируют, что появятся именно пары. Для создания двухфотонного источника нужно заставить систему излучить два фотона как единый квантовый процесс, что само по себе происходит крайне редко и легко загрязняется лишними фотонами или теряется в оптической системе.
В новом устройстве физики использовали квантовую точку — искусственный «атом» в полупроводнике, способный точно контролировать энергетические уровни, и создали так называемый биэкситон, состояние, в котором два электрон-дырочных возбуждения связаны друг с другом. Помещённая в микрорезонатор квантовая точка использует эффект Пёрселла, который заставляет систему предпочитать именно двухфотонное излучение, минимизируя одиночные фотоны и потери. Именно это позволило достичь рекордной чистоты и эффективности.
Двухфотонные источники нужны для квантовых технологий. Они лежат в основе квантового интернета, где пары фотонов создают запутанность между узлами и обеспечивают абсолютно защищённую передачу данных. Они также применяются в сверхточных сенсорах и интерферометрии, где использование двух фотонов позволяет измерять параметры с большей точностью, чем традиционными методами.
Фотонные квантовые компьютеры работают иначе, чем классические: фотоны запускаются в оптическую сеть, и пока они проходят через делители луча и фазовые сдвиги, происходит квантовая интерференция. Каждый фотон может идти по множеству путей одновременно, и все пути взаимодействуют друг с другом. Уже десятки фотонов создают такое количество возможных комбинаций, что классические компьютеры не могут их просчитать. Добавление одного нового фотона резко увеличивает сложность задачи, потому что число возможных интерференций растёт экспоненциально. Физика здесь сама выполняет вычисления: оптическая сеть реализует сложные преобразования, которые классические машины могли бы моделировать миллионы лет.
Новые источники фотонов открывают путь к масштабированию таких систем. Благодаря стабильным и синхронным двум фотонам можно строить фотонные чипы для квантового интернета, фотонных квантовых процессоров и сверхточных сенсоров. Этот рекордный двухфотонный источник не просто лабораторная демонстрация — он приближает реальное практическое использование фотонных технологий, где чистые, синхронные фотоны позволяют решать задачи, недоступные обычным компьютерам, и создаёт фундамент для будущего квантового интернета и фотонных вычислительных систем.
Примечание редакции блога
Эффективность генерации
Даже если создать два одиночных фотона из разных источников, синхронизация и совпадение по времени почти никогда не достигают 30 %.
Здесь же система генерирует пары по требованию с рекордной эффективностью — почти треть импульсов даёт корректные пары.
Стабильность и контроль
Ключевое отличие — встроенный контроль над состоянием фотонов через квантовую точку и микрорезонатор.
Это не просто случайное совпадение двух фотонов, а процесс, который можно повторять стабильно, что крайне важно для практических приложений.
Исследование
Краткое пояснение к этому исследованию
Первоисточник
Другие источники
Контекст и другие исследования в этой области
🔹 Группы в Европе (например, Университет Штутгарта) недавно сообщили о рекордной когерентности одиночных фотонов на телеком‑длинах волн, пригодных для квантовых сетей. Такая работа достигла очень высокой однородности фотонов (почти 92 % видимости интерференции), что делает эти одиночные источники более пригодными для больших систем.
Interesting Engineering
🔹 Другие команды (например, из Sun Yat‑sen University) публиковали двухфотонные источники с очень высокой запутанностью — фактически почти идеальной, что тоже является серьёзным достижением.
sysu.edu.cn
🔹 Но в США именно запрос на чистые фотоны ведёт активную работу, например, по созданию методов для генерации и распознавания одиночных фотонов с помощью новых инструментов и машинного обучения.
Американские группы (например, в Национальной лаборатории Лос-Аламоса, MIT, Caltech и других) сосредоточены на создании источников фотонов, которые максимально идентичны и чисты по квантовым свойствам.
То есть американские исследователи разрабатывают методы, чтобы получить фотон «точно таким, каким он должен быть», потому что именно это критично для квантовых сетей и фотонных компьютеров.
Другими словами, это не про генерацию случайных фотонов, а про контролируемый, высококачественный фотон, который можно использовать для масштабируемых квантовых технологий.
В квантовой оптике фотон не всегда «такой, как должен быть», и это ключевая проблема для практических квантовых технологий.
1. Параметры фотона
Фотон описывается несколькими характеристиками:
Частота / цвет света — должен быть точно задан, иначе фотон не «встроится» в сеть или интерферометр.
Поляризация — направление колебаний электрического поля. Если она не совпадает с ожидаемой, интерференция и квантовые логические операции нарушаются.
Временной профиль / длина импульса — фотон должен приходить в сеть точно в момент, когда другие фотоны. Несинхронность снижает вероятность корреляции и интерференции.
Когерентность и фаза — фотон должен быть «чистым» по квантовому состоянию, иначе квантовые эффекты, такие как запутанность или интерференция, ослабевают.
2. Почему фотон «не такой, как должен быть»
В реальных источниках фотонов часто возникают ошибки:
Случайные дополнительные фотоны — лишние излучения портят чистоту состояния.
Различия между фотонами — даже если два фотона генерируются, они могут иметь немного разные частоты, длину импульса или поляризацию.
Тепловой шум или флуктуации в среде — окружающая среда может менять свойства фотона.
Из-за этого квантовые системы работают хуже: интерференция снижается, запутанность ослабевает, эффективность операций падает.
3. Что делают современные исследователи
Цель — создать фотон максимально идентичным идеальному:
одинаковый по всем параметрам,
приходящий точно в нужный момент,
без лишних «побочных» фотонов,
с высокой когерентностью и контролируемой фазой.
Именно это понимается под фразой «фотон таким, каким он должен быть». Только такие фотоны можно надёжно использовать для квантового интернета, фотонных вычислительных схем и сверхточных сенсоров.
