中国科大首次实现超越线性光量子计算损失容忍阈值的高效率单光子源

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、霍永恒等在国际上首次实现效率超越可扩展线性光量子计算损失容忍阈值的高性能单光子源，相关综合指标达到了国际最先进水平，为未来实现通用光量子计算奠定了关键技术基础。相关研究成果于2月28日在线发表于国际学术期刊《自然·光子学》上。

光子作为量子信息处理的重要载体，具有速度快、室温操作、抗环境干扰强等优势，但光子易损失的物理特性一直是大规模光量子计算的核心挑战。理论表明，单光子源的效率必须高于2/3的阈值，可扩展的线性光量子计算才具备可行性。然而，历经近半个世纪的技术攻关，此前所有确定性全同单光子源的效率始终未能突破该阈值，成为制约光量子计算发展的关键障碍。

图.左：单光子源系统示意图；右：单光子源效率超越损失容忍阈值（红线）

为攻克该难题，研究团队发展了一种可调谐的开放式光学微腔，实现了量子点与微腔在谐振频率及空间定位的双重精准耦合，解决了传统固定式微腔的失谐难题。此外，团队发展了一种脉冲整形激发技术，使单光子源的整体性能得到显著提升。该单光子源的单光子性优于98.0%，光子全同性优于98.6%，系统效率达到71.2%，提取效率达到80.6%，首次突破了2/3的损失容忍阈值，并实现了1.89 dB的强度压缩。相关综合指标达到了国际最先进水平。

审稿人高度评价这项研究工作，认为“实现光源系统效率高于光量子计算中损耗容忍阈值是一个里程碑（Achieving a source system efficiency above the threshold required for compensating for photon loss in photonic quantum computing is certainly a milestone）” ，“这些结果无疑是朝着理想单光子源迈出的又一大步（These results are certainly another significant step towards the ideal single-photon source）”。

本项研究获得了国家自然科学基金委、科技部、中国科学院、安徽省、上海市等的支持。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41566-025-01639-8

（微尺度物质科学国家研究中心、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）