近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）光量子通信与器件团队完成了预报单光子源的理想单光子纯度理论和实验研究。研究成果以”Bright Heralded Single-Photon Source Saturating Theoretical Single-photon Purity”为题，于2025年2月7日发表于《Laser & Photonics Review》。

单光子是实现无漏洞量子密钥分发的宝贵资源。它们既可以由量子发射器按需产生，也可以由自发参量光子对的产生过程进行预报。后一种方法具有可室温操作和可兼容集成光波导的优势。单光子纯度是评估预报单光子源（HSPS）性能的关键参数。它可以通过预报自相关函数g_h⁽²⁾(0)来测量。虽然自相关函数接近 0 是量子应用的理想值，但 HSPS 的实际g_h⁽²⁾(0)取决于光源亮度。越强的泵浦在单位时间内产生越多的预示单光子，但同时由于多光子对出现概率增加，单光子纯度也会随之降低。此外，单光子纯度还会受到残余泵浦和由于不完善的光谱过滤所泄漏到预报路径中的自发拉曼光子的强烈影响。虽然已有相当多高纯度预报单光子源的报道，但迄今为止还没有一个简单的标准来确定预报单光子源是否达到了理论上的单光子纯度。

为了解决这一问题，研究团队从光子数分布的理论出发，推导出了相干泵浦条件下的单光子纯度极限（图1）。随后，在脉冲泵浦条件下，激发芯片的自发四波混频（SFWM）效应，在自制的预报单光子源上验证了这一极限。其中产生四波混频过程的非线性介质为绝缘体硅（SOI）平台上制造的小尺寸螺旋波导结构(图2)。进一步，基于该理论研究团队给出了在泵浦强度抖动情况下的理论曲线，并利用非稳定泵浦激发光源进行验证，实验值与理论值拟合完美，验证了理论的可靠性。

研究团队设计的预报单光子源性能目前已达国际领先水平（表1）。在强泵浦条件下，可实现前所未有的 1.51 MHz高符合计数率，符合与偶然符合比（CAR）达到 16.77 (图3)。在弱泵浦条件下，测得光源的最低 g_h⁽²⁾(0)值为 0.00094±0.00002，符合计数率为 0.8 kHz（图1）。

该论文第一作者为量子院/北京邮电大学博士生王浩洋，通讯作者为量子院助理研究员曾强。该工作受到国家自然科学基金支持。