近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）胡承勇团队利用激光转换型单光子源揭示了弱场驱动下共振荧光光子反群聚的物理机制，光子反群聚是相干态与多光子态发生量子干涉的结果，多光子过程为本质，单光子特性只是表象。该机制颠覆了量子光学教科书中“一个原子在同一时刻只能发射或散射一个光子”的传统物理图像。2026年1月2日，相关研究成果以“Heitler区共振荧光过程中隐藏的多光子动力学”（Hidden multiphoton dynamics in the Heitler regime of resonance fluorescence）为题发表于《物理评论研究》（Physical Review Research）。

共振荧光是光与原子之间相干相互作用的基本物理现象，它揭示了反群聚、亚泊松分布和压缩态等光场的量子特性，在光量子计算与分布式量子计算、量子通信及量子精密测量等量子技术中具有广泛应用，包括高品质单光子源、量子调控和量子比特读取等。传统量子光学教科书通常将共振荧光中的光子反群聚解释为“一个原子在同一时刻只能发射或散射一个光子”。然而，研究团队在近期研制激光转换型单光子源的过程中发现，在弱场驱动条件下，共振荧光的非相干成分实际上处于双光子及多光子态，并表现出超群聚特性。此外，越来越多的同行实验也观测到类似现象，这与传统的单光子图像已不相符，亟待进一步的理论阐释。

基于此，研究团队利用Lindblad主方程方法深入研究了量子点-光学微腔耦合系统的反射/透射光谱，以及反射/透射光场和非相干光场的光子统计，发现反射光场呈现反群聚单光子特性，而透射光场和非相干光场呈现超群聚多光子特性。研究团队提出并实验证实了弱激发下共振荧光光子反群聚的量子干涉模型： 相干成分和非相干成分之间的量子干涉消除了双光子的几率，导致光子反群聚；但双光子实体依然存在于共振荧光光场中，其光谱线宽不同于相干成分。采用系列光学滤波器，通过精准调控二者的相对比例，观察到了光子统计从反群聚到超群聚（见图1），或从反群聚到泊松分布的连续演化（见图2）。实验数据与基于主方程的模拟结果和量子干涉模型的预测高度吻合，这不仅验证了光子反群聚的量子干涉机制，也突破了传统量子光学教科书当前所采纳的“一个原子在同一时刻只能发射或散射一个光子”的单光子图像。

图1 通过调节相干成分比例研究共振荧光的光子统计特性。（a）实验采用法布里-珀罗滤波器对量子点-腔系统反射光场进行光谱分离，以提取其相干与非相干成分；（b）透射相干分量二阶关联函数g_F⁽²⁾(τ)的测量结果；（c）随着相干成分比例的减小（从下至上），滤波器反射光的光子统计从反群聚连续过渡到超群聚，实验数据（红色）与模拟结果（蓝色）吻合良好；（d）零延时二阶关联g_F⁽²⁾(0) 随相干成分所占比例R_F的变化，测量结果（红色方点）、主方程模拟结果（蓝色圆点）以及模型计算结果（实线）高度一致。

图2 通过调节非相干成分比例研究共振荧光的光子统计特性。（a）当非相干成分比例逐渐降低（自下而上）时，滤波透射光的光子统计从反群聚连续趋于泊松分布，实验结果（红色）与理论计算（蓝色）相符；（b）理论计算的非相干分量透射率随滤波器带宽的变化；（c）零延时二阶关联g_F⁽²⁾(0) 与滤波器带宽的关系。实验结果（红色圆点）与基于公式的理论曲线（实线）高度一致。

结合前人的研究结果（在强场驱动下，虽然共振荧光信号整体呈现单光子反群聚特性，但其内部并非是单一的单光子成分，不同成分具有不同的光子统计），研究团队得出了统一的共振荧光光子反群聚的物理机制：无论是弱场还是强场驱动，共振荧光信号中均包含多光子态成分，光子反群聚来源于不同成分之间的量子干涉。共振荧光的量子干涉模型为进一步提高单光子源性能奠定了理论基础，也为探索新型光量子技术提供了全新的视角。

该论文第一作者为量子院博士生李彦峰和王曼曼，通讯作者为量子院胡承勇研究员，论文合作者还包括量子院博士生曾传渝、中国科学院半导体所刘汗青博士后、倪海桥研究员和牛智川研究员。该工作获得了北京市自然科学基金和国家重点研发计划项目的支持。

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• 原文链接：https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/hgzx-twpk

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