一、 【科学背景】
自发双光子发射（STPE）是一种二阶量子辐射过程，在天体物理、原子物理和量子技术等领域具有重要意义。尤其是单量子发射体的按需自发双光子发射，长期以来一直被预言将彻底改变光子量子科学与技术。在此，报告了从单个半导体量子点与高品质量子微柱腔确定性耦合体系中实现的STPE，其亮度可与竞争性的单光子辐射相媲美。这是因为微腔中的强真空涨落能够直接将双激子驱动至基态。利用光子统计测量，展示了在腔量子电动力学（cQED）体系中STPE所具有的量子特性。此外，利用STPE构建了一种非常规的纠缠量子光源，该光源既能实现接近完美的自发参量下转换源的纠缠保真度，又具备原子量子发射体的按需光子发射能力。
中山大学刘进团队研究了量子点自发双光子发射的量子相关性，相关研究成果以“Quantum correlations of spontaneous two-photon emission from a quantum dot”为题目，发表在国际顶级期刊Nature上。研究组在以光子统计测量为主题的腔量子电动力学体系中展示了与STPE相关的量子性质。为深入理解量子体系中的双光子过程提供了新见解，有望以非线性量子辐射推动光子量子技术的发展。
二、【科学贡献】
图1半导体腔量子电动力学（CQED）系统中的自发双光子发射（STPE）。© 2025 Nature
图2连续波（CW）激发下的自发双光子发射（STPE）。© 2025 Nature
图3脉冲激发下的自发双光子发射（STPE）。© 2025 Nature
图4 自发双光子发射（STPE）与 XX–X 级联发射的对比。© 2025 Nature
图5 基于自发双光子发射（STPE）的非常规纠缠量子光源。© 2025 Nature
三、【 创新点】
1. STPE的亮度与单个半导体量子点与高质量微柱腔确定性耦合的竞争单光子辐射相当。这是由于微腔中强烈的真空波动导致双激子直接进入基态。
2. STPE还被用于构建非常规纠缠量子光阱，该量子光阱可以同时实现自发参量下转换光阱的近单位纠缠保真度和原子量子发射体的按需光子发射。该工作提供了对量子状态下双光子过程的见解，这可能使光子量子技术具有非线性量子辐射。
四、【 科学启迪】
从单个量子点（QD）与高 Q 值微柱腔的确定性耦合体系中实现了自发双光子发射（STPE）。腔模通过满足双光子共振条件，同时增强了激发与发射过程。在交叉偏振构型下，无论连续（CW）还是脉冲激发，光致发光谱中均在腔模处观测到 STPE，与全量子模型高度吻合。连续与脉冲激发下分别录得高达 22 691 与 40.26 的二阶关联 g(2) 值，表明腔模中发射光子之间存在极强关联。时间分辨强度关联图明确证实了两光子同时发射。实验中若取消偏振选择，器件即可作为非常规的偏振纠缠光子对源工作：发射可触发、纠缠保真度接近完美。未来，通过进一步提高 Q 值并利用光子带隙抑制单光子过程，有望将 STPE 产生效率提升至 1。最终，通过应变工程或非对称腔设计彻底消除残余模式劈裂，即可实现完全理想的纠缠保真度。工作深入阐明了 STPE 在腔量子电动力学（CQED）体系中的物理机制，并为在半导体中探索大量 NOON 态、强耦合体系的双光子激光以及全光可重构量子光源等先进量子光子科学与技术开辟了新途径。
原文详情：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09267-6
