自发双光子发射（Spontaneous Two-Photon Emission, STPE）是一种二阶量子辐射过程，在天体物理、原子物理以及量子技术等领域具有重要意义。
尤其是来自单量子发射体的按需STPE，早已被理论预测将在光子量子科学与技术中引发革命性变革。
在此，来自中山大学的刘进等研究者报道了在高品质因子微柱腔中与单个半导体量子点确定性耦合的体系中，实现了与传统单光子发射亮度相当的STPE。相关论文以题为“Quantum correlations of spontaneous two-photon emission from a quantum dot”于2025年07月09日发表在Nature上。
自发双光子发射（Spontaneous Two-Photon Emission, STPE）是一种纯粹的量子力学过程，由真空涨落驱动，产生一对高度关联的单光子。
从基础物理角度来看，STPE源于量子零点能，涉及单量子态下的光与物质相互作用。
STPE不仅体现了量子辐射的本质，也是现代光子量子技术架构中的核心环节，广泛应用于量子光学、量子信息处理和量子计量等领域。
然而，作为一种二阶量子辐射过程，STPE 的发射效率极低，通常比一光子发射过程低几个数量级，且难以控制，尤其在其辐射分散进入多个光学模态时更是如此。
尽管STPE具有概率性，目前最常用的双光子发射机制——自发参量下转换（SPDC），已成为众多奠基性量子光学实验的基础，至今仍在经过改进后持续服务于现代量子光子学。
为了实现更可控的双光子发射，科学界已通过原子发射体集合开发出双光子激射器与双光子激光器，近年来也在半导体中实现了经典双光子发射和双光子光学增益。
与原子体系相比，固态平台（尤其是半导体）具有更大的偶极振荡强度、更高的系统稳定性、更紧凑的器件体积及出色的可扩展性，因此被视为更具吸引力的方案。
理论研究长期以来将半导体量子点（QDs）视为实现高效STPE的理想单光子/双光子源。
结合腔量子电动力学（CQED）效应，已有预测表明可在最先进的CQED系统中实现高效率STPE及非常规纠缠光子对的产生。
然而，目前基于单个固态发射体的STPE实验仍处于初级阶段，迄今仅在与光子晶体腔强耦合的单个QDs中观察到极弱的双光子发射谱线，其对STPE的确认主要依赖实验与理论的光致发光谱比较，仍属间接证据；对于其量子特性和在量子技术中的实际应用尚未实现直接探测与验证。
在本文中，研究者首次实验证实了半导体 CQED 系统中 STPE 的量子特性。
所用微腔的共振频率位于激子（X）和双激子（XX）发射之间。在连续波（CW）与脉冲激发条件下，均可在光致发光谱中观察到STPE信号注入腔模。
进一步的光子统计测量显示：CW激发下的 g² 值高达 22,691，脉冲激发下则达到 40.26，明确表明双光子共模发射的非经典特性。
时间分辨强度相关性图进一步表明，这两个光子几乎同时注入同一光学模式，这一过程明显区别于传统的 XX–X 级联发射路径。
更进一步地，借助该高亮度STPE机制，研究者成功实现了具有近乎完美纠缠保真度（0.994(1)）的非常规纠缠光子对，并具备按需发射能力。
本工作不仅首次将长期追寻的双光子量子光源变为现实，也为固态量子光学与集成量子光子技术的发展提供了崭新机遇。
综上所述，研究者实现了来自单个量子点（QD）的自发双光子发射（STPE），该量子点与一个高品质因子（高Q）微柱腔实现了确定性耦合。
腔模同时增强了激发与发射过程，并满足双光子共振条件。在交叉偏振配置下，无论是连续波（CW）激发还是脉冲激发，均在腔模处的光致发光谱中清晰观察到STPE现象，且与全量子理论模型高度一致。
在CW与脉冲激发条件下，研究者分别获得了高达 22,691 和 40.26 的 g² 值，显示出腔模中发射光子的极强关联性。通过时间分辨强度相关性图谱，研究者明确展示了两光子同步发射的过程。
此外，在移除偏振选择条件后，器件可作为一种非常规偏振纠缠光子对源运行，具备可触发性发射特性，纠缠保真度接近完美。
展望未来，进一步提升腔体的Q因子，并利用光子带隙结构抑制单光子过程（即XX与X的发射），有望将STPE的生成效率提升至接近100%。
通过应力工程或非对称腔体设计，消除微小的腔模劈裂，将有助于实现极限的纠缠保真度。
本工作深入揭示了腔量子电动力学（CQED）体系中的STPE机制，为探索大量NOON态、强耦合区下的双光子激射以及可全光调控的半导体量子光源等奠定了基础，开辟了通向先进量子光子科学与技术的新路径。
Liu, S., Wang, Y., Saleem, Y. et al. Quantum correlations of spontaneous two-photon emission from a quantum dot. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09267-6
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09267-6
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