Baru-baru ini, tim komputasi kuantum titik kuantum yang dipimpin oleh Hu Chengyong di Akademi Sains Informasi Kuantum Beijing (selanjutnya disebut sebagai "Akademi") telah merealisasikan sumber cahaya kuantum baru-laser-sumber foton tunggal-yang dikonversi-dengan memanfaatkan efek nonlinier jenuh dan efek peralihan foton tunggal-dari titik-titik kuantum tunggal. Sumber ini menunjukkan waktu koherensi yang sangat lama (258±2 mikrodetik) dan homogenitas foton yang kuat, dengan kinerja foton tunggal yang mencapai tingkat optimal sumber foton tunggal berbasis emisi spontan konvensional. Ini menjanjikan sebagai sumber cahaya kuantum standar untuk aplikasi internet kuantum. Pada tanggal 18 November 2025, temuan penelitian tersebut dipublikasikan di Optica dengan judul "Mengubah sinar laser menjadi foton tunggal dengan waktu koherensi ultralong".
Foton berfungsi sebagai pembawa ideal untuk transmisi informasi kuantum dan kendaraan penting untuk pemrosesan informasi kuantum. Sumber-foton tunggal membentuk komponen inti teknologi kuantum seperti komputasi kuantum optik, komputasi kuantum terdistribusi, komunikasi kuantum, dan pengukuran presisi kuantum. Saat ini, persiapan sumber-foton tunggal terutama mengandalkan dua pendekatan teknis: yang pertama adalah metode probabilistik berdasarkan konversi turun-parametrik spontan (SPDC) atau pencampuran empat-gelombang spontan (SFWM); metode lainnya adalah metode deterministik berdasarkan emisi spontan dari sistem kuantum tunggal, seperti atom dingin, perangkap ion, titik kuantum, atau pusat warna. Dalam beberapa tahun terakhir, sumber foton-jenis titik kuantum tunggal-emisi telah membuat kemajuan signifikan dalam mencapai sumber foton-tunggal yang ideal, yang menunjukkan hampir 100% kemurnian-foton tunggal dan identitas foton. Namun, sumber foton tunggal berbasis emisi masih menghadapi keterbatasan: dibatasi dua kali masa pakai eksiton, waktu koherensi orde pertama sangat singkat (hanya puluhan hingga ratusan pikodetik), dan identitas foton rentan terhadap degradasi akibat kebisingan muatan dan kebisingan putaran. Perkembangan internet kuantum di masa depan bergantung pada komunikasi kuantum yang koheren berdasarkan interferensi dua{18}}foton atau-foton tunggal, sehingga memerlukan sumber foton tunggal dengan koherensi yang sangat baik dan identitas foton yang kuat. Sumber foton{22}}tunggal{23}}berbasis emisi saat ini kesulitan untuk sepenuhnya memenuhi persyaratan ini. Meskipun laser secara inheren memiliki koherensi yang luar biasa, laser tidak dapat dilemahkan secara langsung menjadi keadaan foton tunggal menggunakan elemen optik linier.
Untuk mengatasi tantangan ini, tim peneliti berkolaborasi dengan Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, mengusulkan dan merealisasikan metode ketiga untuk persiapan-sumber foton tunggal: sumber foton-tunggal-berbasis konversi laser (LCSPS). Berbeda dengan struktur rongga mikro optik satu sisi tradisional yang biasa digunakan dalam sumber foton tunggal tipe emisi, tim merancang rongga mikro optik dua sisi simetris [lihat Gambar 1(a)]. Struktur ini secara efektif menekan hamburan laser di dalam rongga tanpa bergantung pada filter polarisasi ortogonal. Setelah refleksi dalam sistem kopling mikrokavitasi titik kuantum, laser langsung diubah menjadi foton tunggal [lihat Gambar 1(a)], menunjukkan sifat luar biasa berikut: waktu koherensi yang sangat panjang [258±2 μs, lihat Gambar. 2(b)], foton yang tidak dapat dibedakan [94,3±0,2%, lihat Gambar. 2(c)], dan sempurna kemurnian-foton tunggal [g(2)(0)=0.030±0,002, lihat Gambar. 1(e)]. Semua data mewakili hasil pengukuran mentah.
Prinsip pengoperasian sumber foton-tunggal yang dikonversi-laser dapat dijelaskan secara kualitatif berdasarkan efek nonlinieritas jenuh dan peralihan foton-tunggal dari titik-titik kuantum tunggal: Ketika satu foton berinteraksi dan dipantulkan oleh titik kuantum, foton-foton berikutnya ditransmisikan dalam masa hidup eksiton karena titik kuantum memasuki keadaan jenuh. Proses ini menyebabkan cahaya yang dipantulkan menunjukkan perilaku anti-koherensi, menampilkan karakteristik-foton tunggal, sedangkan cahaya yang ditransmisikan menunjukkan efek koherensi, yang memiliki sifat multi-foton. Mekanisme fisik mendalam yang mendasarinya berasal dari interferensi kuantum antara keadaan koheren (yaitu laser) dan keadaan multi{10}}foton. Proses interferensi ini secara efektif menekan kemungkinan munculnya komponen multi-foton dalam bidang cahaya yang dipantulkan, mengubah bidang sinar laser yang dipantulkan menjadi foton tunggal.
Mewarisi-koherensi orde pertama dan identitas foton yang kuat dari laser, sumber-foton tunggal yang dikonversi-laser dapat diterapkan secara luas dalam berbagai protokol komunikasi kuantum berbasis interferensi, radar kuantum array-bertahap foton tunggal, dan sumber foton-tunggal-mode terkunci. Mereka menjanjikan sebagai sumber cahaya kuantum standar untuk internet kuantum masa depan.
Gambar 1
(a) Skema struktur dan prinsip pengoperasian sumber foton-tunggal yang dikonversi-laser; (b) Memindai gambar perangkat dengan mikroskop elektron; (c) Spektrum refleksi yang koheren pada intensitas penggerak yang berbeda, menunjukkan rasio peralihan foton tunggal sebesar 50:1;{4}} (d) Nilai nol g(2)(0) dari fungsi korelasi-orde kedua bidang cahaya yang dipantulkan sebagai fungsi pelepasan laser; (e) Fungsi korelasi orde kedua g(2)(t) dari bidang cahaya yang dipantulkan pada intensitas penggerak rendah.
Gambar 2 (a) Koherensi-orde pertama dari sumber-foton tunggal yang dicirikan oleh interferometri Mach-Zehnder; (b) Demonstrasi bahwa sumber foton-konversi-jenis tunggal-foton memiliki waktu koherensi yang sama dengan laser penggerak, yang dicapai melalui interferometri heterodyne tertunda dan pengukuran kebetulan yang diselesaikan dengan waktu-; (c) Evolusi visibilitas interferensi dua{8}}foton dengan perbedaan waktu emisi, membuktikan homogenitas foton sumber yang kuat.
Penulis pertama makalah ini adalah Wang Mannan dan Li Yanfeng, mahasiswa doktoral di Institut Informasi Kuantum, dengan penulis koresponden Hu Chengyong, seorang peneliti di lembaga yang sama. Rekan-penulisnya antara lain Zeng Chuanyu, seorang mahasiswa doktoral di Institute of Quantum Information; Huang Guoqi, seorang mahasiswa doktoral di Universitas Pos dan Telekomunikasi Beijing; insinyur Liu Li, Wang Wenyan, dan Ji Weijie dari Institut Informasi Kuantum; serta peneliti postdoctoral Liu Hanqing, peneliti Ni Haiqiao dan Niu Zhichuan dari Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences. Pekerjaan ini didukung oleh Beijing Natural Science Foundation dan National Key R&D Program of China.
