在构建未来量子互联网和量子计算机的宏伟蓝图中，高纯度的单光子源如同不可或缺的“纯净光源”，是进行安全通信和精确计算的基础。然而，在实际应用中，科学家们长期面临一个棘手难题：理论上完美的单光子源，其输出中总会混入不必要的“双光子”噪声，严重制约了量子技术的性能提升。以往，学界普遍将这一杂质主要归咎于实验装置的光学反射。但北京量子信息科学研究院袁之良团队的一项最新研究，从根本上颠覆了这一传统认知，首次系统揭示了限制单光子纯度的两大内在物理机制，为研制更高性能的量子光源指明了全新的方向。
追根溯源：超越“反射背景”的深度探索
在量子信息领域，单光子源的纯度通常通过二阶关联函数g²(0)来衡量，其理想值应为0，表示绝对不存在两个光子同时出现的情况。然而，基于固态量子点(一种优异的人造原子)的单光子滤波器，其g²(0)值常被观测到高于理想值，即存在“双光子成分”。长久以来，主流观点认为，这些多余的光子主要来源于泵浦激光被微腔结构反射而形成的背景噪声。只要精巧地设计光学结构，似乎就能解决问题。
袁之良团队的研究却跳出了这一框架，他们直指核心：即便最大限度地抑制了来自外部的激光反射，单光子纯度是否就能逼近理论极限？ 为了回答这个问题，研究团队设计了一套极其精巧的实验。他们采用了反射率低至1%的微柱腔，这几乎将腔体反射的激光背景降到了可忽略不计的水平。同时，他们结合脉冲共振激发技术，对单个量子点进行精确调控。
发现核心机制：量化双光子的“真正起源”
通过这一近乎理想的实验平台，团队对输出的单光子进行了极其精细的测量，包括时间分辨光谱和高阶关联函数分析。结果令人惊讶且清晰：
多次激发贡献61.9%：这是指在一个激发脉冲周期内，量子点被意外地多次激发，从而导致发射出多个光子。这揭示了能量注入过程本身的内在随机性。
受激发射贡献37.6%：这是更具深度的发现。它意味着，当第一个光子被发射后，其存在会以一种受激辐射的方式，诱发量子点发射第二个相干光子。这一过程揭示了光与物质在单量子层面强耦合作用的另一面。
残余激光反射仅占0.5%：传统上被认为是主要噪声源的反射背景，在此次实验中贡献微乎其微。
这一精确的量化数据(61.9%, 37.6%, 0.5%)铁证如山，首次证实多次激发和受激发射才是限制固态单光子源纯度的两大核心物理机制。研究还进一步发现，当所用激光脉冲的宽度与量子点本身的激子寿命相当时，受激发射的贡献会变得尤为显著，这为动态调控光子发射特性提供了关键见解。
迈向未来：为下一代量子光源设计绘制蓝图
这项名为《揭示固态单光子滤波器中双光子成分起源》的研究，其意义远不止于澄清一个科学疑问。它如同一份清晰的“诊断报告”，确切地指出了现有技术路线的瓶颈所在。
基于这一革命性认知，研究团队为未来更高纯度单光子源的设计提出了切实可行的蓝图：
采用宽带、低反射率微腔，继续抑制无关反射。
优化激发脉冲，使用更短、更精确的脉冲来减少多次激发的概率，并谨慎调节脉冲参数以规避会增强受激发射的区间。
这一新理解也可能推动人们探索全新的材料体系或量子发射体结构，从物理源头削弱这两大内在机制。
这项由袁之良团队完成，王嘉俊、王健、吴邦等研究人员共同主导的突破性工作，已发表在权威期刊《ACS光子学》上。它不仅是基础研究的重要进展，更是连接基础科学与工程应用的桥梁。通过揭开单光子纯度最深层的物理限制，这项研究为量子光源的性能提升扫清了关键认知障碍，加速了高保真度量子计算、远距离量子通信等前沿技术的实用化进程，让我们向驾驭量子之光的未来又迈进了一大步。
