1 工作简介

         ——超越线性光量子计算损失容忍阈值的高效率单光子源

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。

自组装半导体量子点凭借其确定性、高亮度和可集成的天然优势，被公认为研制高性能单光子源及构建大规模光量子信息系统的核心固态平台。然而，自组装半导体量子点在实际生长过程中存在随机性，这给量子点与微腔的精准耦合带来了极大挑战。

为攻克该难题，中国科学技术大学研究团队发展了一种可调谐的开放式光学微腔，实现了高品质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，团队发展了一种高保真脉冲整形激发技术，使单光子源的整体性能得到显著提升。

实验结果显示，该半导体单光子器件的单光子性优于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。此外，该光源还表现出1.89 dB的强度压缩，并在长达10分钟的测试中记录到了连续40光子的符合事件。这一突破标志着光量子计算在克服光子损耗这一核心瓶颈上取得了决定性进展，为可扩展光量子技术打开了新的大门。

研究成果以“High-efficiency single-photon source above the loss-tolerant threshold for efficient linear optical quantum computing”为题，于2025年2月28日发表于Nature Photonics。丁星、郭永朋、徐莫迟、刘润泽为论文共同第一作者，中国科学技术大学教授霍永恒、陆朝阳、潘建伟为论文共同通讯作者。

2 主要作者简介

第一作者

丁星，合肥国家实验室初级研究员。

长期致力于高性能半导体量子点单光子源的研制及其在量子信息中的应用研究。在攻克固态量子光学系统物理瓶颈、实现高性能单光子源及推动光量子计算方面取得了多项国际领先的成果。截至2025年底，个人谷歌学术总被引量9300余次。其中以第一作者身份发表的Phys. Rev. Lett. 116, 020401(2016)谷歌学术单篇引用量突破1000次，是单光子源领域被引量最高的标杆性文献之一。

通讯作者

霍永恒，中国科学技术大学教授，合肥国家实验室研究员。

2006年7月于天津大学获学士学位，2011年1月于中国科学院半导体所获博士学位，此后到德国、奥地利从事科研工作，2016年7月到中国科大工作。曾入选国家级领军人才（科技创新）、国家级青年人才、中国科学院优秀人才（终期评估优秀）等。长期从事固态量子信息材料、器件及相关物理研究。首次实现了基态为轻空穴的量子点，保持着确定性单光子源和纠缠光子源综合性能最优纪录。通过创新材料和器件加工技术为“祖冲之号”系列超导量子处理器的研制提供了基础材料与器件保障，助力我国超导量子计算达到国际前沿水平。面向光学原子钟等精密测量需求，研制了国际领先水平的超高反射率光学薄膜等器件。在Nature、Science、Nature Physics、Nature Photonics、Nature materials、PRL等发表论文60余篇。

通讯作者

陆朝阳，中国科学技术大学讲席教授，世界青年科学家联合会理事长，九三学社中央委员，全国青联常委，安徽省政协常委，上海市青联副主席。

长期致力于面向实用化的量子信息技术研究，在包括《自然》和《科学》17篇、《自然》子刊17篇、《美国科学院院刊》5篇、《物理评论快报》66篇、《现代物理评论》2篇等国际顶级学术期刊发表论文160余篇，被引用38000余次（截至2025.9）。2020-2025年，连续入选“科睿唯安”全球高被引学者。成功研制国际最高效率和全同性的单光子源器件并实现工程化应用，主持完成“九章光量子计算机”国家重大任务，使我国首次成功达到“量子计算优越性”历史性里程碑，打破谷歌“量子霸权”的宣称。在光量子计算方面的系统性工作确立了我国在该领域的国际引领地位。

通讯作者

潘建伟，中国科学技术大学教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，奥地利科学院外籍院士，中国科学院量子信息与量子科技创新研究院院长，中国科学院量子科学实验卫星先导专项首席科学家。

主要从事量子光学、量子信息和量子力学基础问题检验等方面的研究。作为国际上量子信息实验研究领域的开拓者之一，他是该领域有重要国际影响力的科学家。利用量子光学手段，他在量子调控领域取得了一系列有重要意义的研究成果，尤其是他关于量子通信和多光子纠缠操纵的系统性创新工作使得量子信息实验研究成为近年来物理学发展最迅速的方向之一。其研究成果曾多次入选英国《自然》杂志评选的年度重大科学事件、美国《科学》杂志评选的“年度十大科技进展”、英国物理学会评选的“年度物理学重大进展”、美国物理学会评选的“年度物理学重大事件”以及两院院士评选的“中国年度十大科技进展新闻”。

3 原文传递

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