实现高效可编程的集成量子光子器件是量子信息技术的发展趋势，其对于实现大规模量子计算、高速量子通信、量子精密测量等应用具有推动意义。量子光源作为诸多量子应用的基本器件，其可配置、可调控性直接决定量子系统的可编程和多功能性。
近日，华中科技大学张新亮教授、徐竞教授团队联合电子科技大学/天府绛溪实验室郭光灿院士团队周强教授课题组提出一种基于宇称-时间对称性（Parity-time symmetry）耦合微腔的可调寿命量子光源，实现约20倍的光子寿命调节范围，并验证关联光子对的能量-时间纠缠特性以及有效的宣布式单光子的产生。该成果以“Quantum light sources with configurable lifetime leveraging parity-time symmetry”为题发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。华中科技大学博士研究生陈诺、电子科技大学硕士研究生李文秀为论文共同第一作者；华中科技大学徐竞教授、张新亮教授和电子科技大学/天府绛溪实验室范云茹副研究员、周强教授为论文通讯作者。
光子，作为“飞行的量子比特”，其具有多个自由度，能应用于量子信息技术中。光子寿命作为一个重要的自由度，反映光子相干时间，并和光子的频域分布构成傅里叶变换对，连接光子的时频特性。光子寿命通常由二能级系统的带隙宽度或谐振腔的品质因子（Q factor）决定。基于集成光子器件的量子光源在制成后缺乏可调节性，导致光子寿命确定，无法调控。另一方面，量子光源的效率与可调节、可配置性之间往往存在矛盾，实现比较大的调谐范围会牺牲光子产率或亮度。所以，高效可调控光子寿命的量子光源是亟需的，其有望在可编程量子计算、高速率量子通信、量子精密测量等应用中发挥作用。
近期，宇称-时间（PT）对称性光子器件因为其独特的系统性质在诸多应用中展露头脚，包括激光选模和再生、灵敏传感、光频梳等。PT对称系统的响应随系统参数在超模本征值空间中演化，其超模本征值和对应本征向量的简并点被成为奇异点（Exceptional point，EP）。在EP附近，系统的响应会呈现独特的性质，例如在PT对称耦合微腔系统中，EP处系统呈现具有明显展宽的单一谐振峰形态，适合用于对光子寿命进行操控。
团队利用耦合微腔中的PT对称性对自发四波混频过程产生的光子对寿命进行调控。原理如图1a所示。两耦合微腔具有2:1的半径比，自由光谱范围（Free spectral range, FSR）形成1:2的比例分布，利用辅助环的谐振峰对主环的谐振峰进行调控，打破线宽一致性，从而实现每间隔一个谐振峰调控一组对称谐振峰的目的。主环中的高Q谐振峰作为泵浦光谐振峰，两边对称位置处低Q的谐振峰用作信号光和闲频光谐振峰，如图1b所示。
通过设计两环之间的耦合系数
和辅助环/波导的耦合系数
，使系统工作在PT对称系统中的奇异点（Exceptional point，EP），两环在对齐的情况下形成融合的低Q谐振峰支持单光子产生，避免模式劈裂，如图1c(ii)所示（远离EP点的系统常具有明显模式劈裂，如图1c(i)所示）。最终，通过改变施加于辅助环热调电极上的电压，来控制两微环谐振峰的失谐，从而决定对主环谐振峰的损耗引入量。两环在完全失谐时，自发四波混频过程产生的光子具有相当长的光子寿命
（直接由高Q微环的本征损耗决定），而在热调谐后，两环完全对齐时，光子寿命下降至
（辅助环/波导的强耦合损耗决定，系统参数
）。
图1 可调寿命量子光源的原理图。
器件表征
研究团队在绝缘体上氮化硅平台制作了芯片。通过测试微环系统的热调谐光谱，可以看出选择性Q值调控手段的有效性，如图2所示。设计器件的FSR约为100 GHz，匹配密集波分复用信道。在热调电极施加0 V电压时，两环完全失谐，所有高Q谐振峰均来自主环。在施加6.6 V电压后，两环对齐，主环中每间隔2个FSR的谐振峰工作在EP点附近，表现出明显的Q值下降（约20倍），同时不发生模式劈裂。
在连续的7个谐振峰中，选择1536.9 nm的高Q谐振峰作为泵浦光谐振峰，在对称位置处间隔3个FSR的位置作为信号、闲频模式对（避免残留泵浦光子引入噪声），来产生光子对。
量子光源测试
制作的PT对称性耦合双环器件被用于产生关联光子对，其实验装置如图3所示。图3a-3d分别绘制了关联光子对的产生、符合计数测试、基于Franson型干涉仪的能量-时间纠缠测试以及宣布式单光子产生测试的装置图。
首先，团队测试了关联光子对的产生，并通过符合计数图样提取了光子寿命。结果如图4所示。
符合计数图样4a和4b显示，从0 V 到6.6 V的电压变化下，计数图样的总不确定度有明显的下降。由于光子寿命在6.6 V偏置下较短，同时测试系统具有几十皮秒量级的时间抖动，研究团队利用混合拉普拉斯（光子寿命）-高斯（时间抖动）分布来拟合符合计数图样。通过1000次蒙特卡洛（Monte Carlo）模拟，最终提取出0 V、6.6 V情况下的光子寿命以及不确定度，分别为129.6 ± 1.9 ps和7.1 ± 1.5 ps，实现近20倍的寿命调控范围（系统时间抖动为82.8 ± 0.9 ps）。该结果与光谱测试中得到的Q值变化情况相当，验证了自发四波混频过程产生的光子对的时频关系。之后，测试了光子对产生速率以及光源的符合-偶然符合计数比（CAR）随泵浦功率的变化图，如图4c-4f所示。值得注意的是，在6.6 V电压调控牺牲信号、闲频光谐振峰Q值的情况下，光源的光子对产率相比于0 V时还有所上升，这是由于PT对称系统对主环的谐振峰引入较大的耦合损耗（不影响环的本征Q值），使信号光、闲频光处的谐振峰处于过耦合状态，从而加大光子逃逸概率，平衡了光源的调谐性和光子对的产率。同时，没有受到影响的高Q泵浦光谐振峰也保证了自发四波混频的效率。
进一步地，团队测试了基于PT对称耦合微环量子光源的能量-时间纠缠特性。
图5a和5b给出了基于Franson型干涉仪的能量-时间纠缠光子对的双光子干涉图样。通过改变干涉仪相位，观察到双光子干涉随相位变化呈现相消干涉和相长干涉。信号、闲频光子的单边计数率始终不变，表明没有发生单光子干涉。通过1000次蒙特卡洛方法拟合，得出Franson干涉可见度约87.1 ± 1.1%，违背Bell不等式，表明光源产生的光子对具有有效的能量-时间纠缠特性。
最后，基于自发非线性效应产生的光子对可用于宣布式单光子的产生。通过信号光子宣布闲频光子的到达，测试了闲频光子的二阶自关联（三重符合计数实验），研究团队得出闲频光子零延时处二阶自关联值为0.069 ± 0.001，表明光源具有良好的单光子性，如图6所示。
研究团队提出并制作了一种基于片上耦合微环谐振腔的可调寿命量子光源，实验上实现了约20倍的光子寿命调谐范围，并验证了单光子波包与光谱之间的时频对应关系。通过引入PT对称性所特有的损耗调控机制以及在奇异点（EP）附近的光谱响应特性，结合两个半径比为2:1的微环谐振腔系统，团队成功解耦了传统微环中泵浦和信号/闲频谐振峰Q值之间的相互一致性，实现了对二者的独立操控，同时保留了高Q值的泵浦谐振峰。该方案不仅实现了高效、便捷的光子寿命调控，还保证了自发非线性过程的转换效率。未来，进一步降低波导损耗、提升微环的本征Q值，将有望实现更大范围的光子寿命调节。
基于PT对称性的非厄米光子学结构，为集成量子光学系统提供了全新的调控维度，结合其独特的损耗-增益调控机制，未来有望用于高效产生压缩态、簇态以及宽带量子频率梳等复杂非经典光场。这类器件不仅拓展了非厄米量子光学的研究边界，也推动了集成光子学在量子信息处理中的实用化与功能多样化。寿命可调的量子光源可以灵活应对量子信息技术的需求，短寿命光子用于高速量子信息互联，长寿命光子可作为量子存储中继接口，实现一光源适配多应用，为构建紧凑、可编程、多功能的量子光芯片开辟了新路径。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-65698-9?sessionid=
撰稿|课题组
