KAIST：“全球最高性能C波段‘单光子源’研发成功”

by Jeong Ilwoong

Published 30 Nov.2025 13:15(KST)

韩国本土研究团队成功开发出世界最高性能的C波段单光子源。C波段是指通过光纤传输互联网信号时，传播距离最远且损耗率最低的“最优光波长段（1550㎛）”。迄今为止，在这一波长段实现可在期望时刻产生的确定性量子光源，一直是全球尚未解决的难题。

KAIST表示，物理学系Cho Yonghoon教授研究团队继今年实验性实现可在室温下工作的光通信波段单光子源之后，又成功开发出用于制备世界最高水平“不可区分的相同光子”的C波段量子光源。该消息于30日对外公布。

（自左起）KAIST 教授 Jo Yonghoon、博士研究生 Kim Hyemin、博士研究生 Kim Jaewon。KAIST 提供

单光子源是一次只释放一个光子的装置。由于该光子无法被复制，因此被视为无法被窃听的量子通信的核心要素。

如果在此基础上，光子之间“看上去完全相同”，当把两个光子合并时就会出现奇特的量子效应——Hong-Ou-Mandel效应，而这一效应为量子中继器、量子隐形传态、量子网络构建等未来量子互联网的关键技术提供了实现基础。

也就是说，“在期望的时刻逐个产生光子（纯度），并使这些光子彼此完全相同的能力（同一性）”，就是用于实现量子互联网的量子光源所必须具备的核心性能。

为满足这一要求，研究团队首先着手开发能够在室温下稳定运行的单光子源。在开发过程中，团队关注到源自氮化镓（GaN）缺陷的单光子。但氮化镓的缺陷会在材料各处随机产生，且光被困在薄膜内部难以逸出，同时还存在效率低的问题。

对此，研究团队先制备了刻有微细图案的蓝宝石衬底（PSS），再在该衬底上生长氮化镓薄膜，从而可以任意调控光泄出的缺陷位置。同时，团队还成功实现了让光不被完全困在内部、能够顺利向外泄出的结构设计。

研究结果显示，在室温条件下，团队不仅可以在通信波长段（1.1～1.35㎛）范围内稳定地产生单光子，还能对其位置和密度进行精确控制，实现了在期望时刻逐个产生光子的目标。

研究团队还完成了可与光纤互联网直接连接的C波段高同一性量子光源的开发。

量子技术领域国际学术期刊《Advanced Quantum Technologies》10月刊将KAIST研究团队的研究成果选为封面论文刊载。KAIST提供

全球范围内，互联网标准使用接近1550㎛的C波段光。这是因为在光纤中，该波段光衰减最小、传输距离最远。如果在这一波长段制备量子光源，就可以在现有互联网网络基础上直接构建量子互联网，这一点也被视为重要优势。

但在这一波段制备高品质的确定性单光子，在全球范围内被归类为高难度技术。以量子点为例，它就像“极其微小的发光工厂”，其可发出的光的颜色会随着尺寸变化而不同。采用既有材料时，量子点尺寸偏小，只能在接近900㎛的波长附近实现高性能量子光源。

为此，研究团队重新设计了“材料组合”，以制备能够发射长波长光的更大尺寸量子点。具体做法是引入InP衬底与InAlGaAs势垒的组合，从而生长出相对较大的InAs量子点。

通过这一系列过程，团队实现了在光纤通信所使用的波长段高效地产生单光子。可以理解为，通过更换材料组合建造了更大的“发光工厂”，并借此实现了C波段光。

此外，研究团队还通过结构上的改进以及对激发量子点方式（激发方式）的优化，将同一性提升至72%、纯度提升至97%，创下了C波段光源的最高品质纪录。

Cho教授表示：“本次研究的意义在于，我们在可与现有光纤通信网络直接连接的波长段，开发出了世界最高水平的‘确定性量子光源’。”

此次研究中，博士课程研究生Kim Jaewon以第一作者身份参与。研究成果（论文）已发表在量子技术领域国际学术期刊《Advanced Quantum Technologies》上，并被选为10月刊封面论文。

本报道由人工智能(AI)翻译技术生成。