基于半导体量子点的量子干涉和多光子纠缠实验研究

This project aims to build a new multi-photon interferometric platform based on deterministic quantum emitters. By developing challenging techniques such as side pulsed resonant excitation, in-situ quantum dot micropillar fabrication, high-resolution spectral and temporal analysis, we expect to generate single-photon sources with >95% purity and indistinguishability and >20 MHz count rate from a quantum-dot-micropillar. Moreover, transform limited single photons are to be created from high-Purcell-factor emitters, which enables streams of at least tens of mutually indistinguishable single photons. Such an efficient single-photon source will be exploited for implementation of 10-20 boson sampling experiments, which could reveals a quantum computational supremacy over classical computers.

研究基于确定性量子点单光子源的可拓展量子信息处理。通过发展侧向脉冲共振激发、确定性半导体微柱耦合、高分辨光谱-时域联合分析等技术，制备纯度和不可分辨性超过95%、亮度超过20 MHz的量子点单光子源，在高Purcell因子的微腔量子点中产生接近傅里叶变换的单光子，使得不同时间发射的至少几十个单光子都互相保持高的不可分辨性。将此高效率的量子点单光子源应用于建立一个新型的多光子实验平台，实现10-20个光子的玻色采样量子计算研究，从实验上验证量子计算相比于经典计算的加速性，显示量子计算的强大计算能力。

发展高品质的量子点单光子源并研究基于确定性量子点单光子源的可拓展量子信息处理。通过发展侧向脉冲共振激发、确定性半导体微柱耦合、高分辨光谱-时域联合分析等技术，制备纯度和不可分辨性超过95%、亮度超过20 MHz的量子点单光子源，在高Purcell因子的微腔量子点中产生接近傅里叶变换的单光子，使得不同时间发射的至少几十个单光子都互相保持高的不可分辨性。利用宽带靶眼微腔和双光子共振激发实现了高提取效率和高光子不可分辨性的双光子纠缠源。利用量子点单光子源直接观测到强度压缩，观测相距1.5亿公里的两个独立光源(单光子源和太阳光)之间的量子干涉。..将此高效率的量子点单光子源应用于多光子实验，尤其是玻色采样量子计算研究, 从实验上验证量子计算相比于经典计算的加速性，显示量子计算的强大计算能力。2017年利用自主发展起来的高性能单光子源、超低损耗的微光学干涉仪，构建了超越早期经典计算机的基于单光子的量子模拟原型机。接着研究了一种量子计算模型“玻色采样”对光子损失的鲁棒性，证明容忍一定数目光子损失的玻色采样可以带来采样率的有效提升，逐步实现10-20个光子的操控，实现高复杂度的玻色采样。2019年，实现了20光子输入60模式干涉线路的玻色取样量子计算。2020年，成功构建了76个光子100个模式的高斯玻色取样量子计算原型机“九章”，克服了谷歌53比特随机线路取样实验中依赖于样本数量的漏洞，利用光子体系演示了量子计算加速。