最高单光子通量！每秒产生5亿个单光子，光量子计算的瓶颈转移了

在量子计算领域，光子量子计算被视为实现大规模分布式量子网络的最有潜力路线之一。其根本优势是光子作为信息载体，可以以光速在光纤中传输，且天然具备连接性和可扩展性。

不过，这个路线存在一个基础却致命的工程瓶颈，即没有足够多且足够好的单光子可用。

2026年9月，丹麦量子技术公司Sparrow Quantum和波鸿鲁尔大学在预印本平台arXiv上发布了一项最新成果。他们宣布，其确定性单光子源已实现向单模光纤内每秒传输超过5亿（515 MHz）个单光子，同时系统光纤耦合效率维持在50%以上。这是迄今为止公开报道的最高单光子通量。

事实上，确定性单光子源不仅速度快，它还结合了GHz重复率、超过50%的光纤效率、高单光子纯度以及两光子的不可区分性。

每秒5亿个单光子

过去，光量子实验中最常用的光源是基于自发参量下转换（SPDC）的概率性光源。这种技术的原理是用激光轰击非线性晶体，大概率什么都不会发生，只有极小的概率会分裂出两个纠缠的光子。

这就好像在强光下的光学系统里买彩票，下一个光子什么时候出来是没办法预知的，这直接拖慢了整个系统的时钟速率。

后来，业界转向固态量子点技术路线，试图打造确定性光源，即每一次电脉冲或光脉冲激发，都必须且只能吐出一个单光子。但是，理想很丰满，现实很骨干。

即使量子点本身的发光效率很高，但在将其收集并导入光纤（这个过程涉及到微纳结构的耦合）时，大部分光子会在光路中被损耗掉。此前的最高纪录，大多停留在几十MHz的通量级别，且会牺牲光子纯度和不可分辨性。

Sparrow Quantum这次带来的新成果，在于他们把出色的InAs/GaAs量子点耦合到了光子晶体波导（PCW）中，同时采用“carved laser pulses”驱动技术。

图：CARVED LASER PULSES

这种技术利用连续波激光器和高带宽电光调制器（EOM），在皮秒级别精确“裁剪”出高频、干净的激发脉冲，激发速率直接推至1 GHz。更厉害的地方是，整个光子源的端到端系统级光纤传输效率超过了50%。

这两个数字相乘，便是在光纤末端可测得的单光子通量。显然，该系统可以每秒传输超过5亿个单光子。

同时，这项工作首次使得单光子源的平均输出光功率超过100pW，这表明单光子流产生的光功率已经可以被商用标准光电二极管功率计直接、稳定地读取。

过去，量子光学实验室进行光子计数多是依赖超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。这类探测器灵敏度很高，但其效率校准涉及光子数响应非线性等多个复杂参数，不同实验室之间的效率数据很难直接横向对比。

现在，用一台“台面式”功率计就可以直接读出功率，不仅简化了效率表征流程，更让效率测量摆脱了对复杂探测器模型的依赖，这是工程化、标准化的重要一步。

光源效率限制光量子计算规模

光量子计算的核心逻辑是多光子干涉。所谓玻色采样、单向量子计算、基于测量的簇态量子计算，其成功概率都和参与干涉的光子总数有关。

这种相关性不是线性的，是组合爆炸式的。对于一个依赖N个光子同时到达并发生干涉的协议，其整体成功概率正比于（源效率）^N。

这意味着，对于10光子实验，如果单光子源的端到端效率为50%（0.5），理想情况下理论成功概率只有0.5^10≈0.1%。如果效率降低到25%，则同一实验的成功概率就会变成0.25^10≈9.5×10^-5%，相差三个数量级以上。

因此，光子源的效率直接决定了一个光量子计算平台在给定时间内，能采集到多少有效多光子事件。而在量子纠错和容错计算中，这一效率更是决定了表面码等纠错方案的可行性阈值。

Sparrow Quantum现在报道出来的大于50%的系统效率是将量子点内激子态发射的光子，经过光子晶体波导提取、耦合进光纤后的总系统效率。

根据论文内容，该团队之前已在应用物理评论上详细阐述了此类确定性单光子源的运行原理、规格参数等。这意味着当研究人员要做20光子规模的量子模拟时，不用再忍受因光源效率低下而需要等待数周甚至数月的采集时间。

此外，在量子密钥分发（QKD）和分布式量子网络中，光源的时钟速率同样决定了通信的带宽基干。对于这个领域而言，信息经由光纤发送，本身就要受到传输造成的衰减和环境噪音造成的退相干等问题的影响。

要抵消这些不可逆的物理损耗，最直接粗暴且有效的方法，就是提高源头的发射频率，用密集的“纯净光子流”去淹没信道中的损耗，不再像过去那样为了提取微弱信号而不得不在探测端拉长积分时间。这也是为什么Sparrow Quantum的这项研究被认为解决了“长期存在的光子瓶颈”。

高通量下的质量博弈

在光量子信息处理中，光子的“质量”用单光子纯度和全同性（不可区分性）来衡量。

一个普遍的物理规律是，激发速率越高，光子脉冲间隔越短，前一个光子尚未完全衰减，后一个激发脉冲已经到来，导致时间上产生重叠。这会引入残余激发激光或声子边带背景，从而劣化纯度和全同性。

在这项工作中，研究人员选择不在收集光路中放置任何窄带光谱滤波器。这也意味着收集到的所有光（包括量子点共振荧光及其声子边带）都被计入测量结果。在此条件下：

当激发速率为80 MHz时，单光子纯度为3.98%，HOM（全同性）可见度为81.83%。当激发速率达到1 GHz时，脉冲间隔缩短到1 ns，仅为激子寿命（220 ps）的约4.5倍，背景重叠上升至约4%，单光子纯度劣化到11.13%，HOM（全同性）可见度降为55.14%。

图：单光子度量指标

直观上看，1 GHz下的光子质量似乎显著下降。但这项工作同时给了另一组数据，在80 MHz激发下，若在收集路径中添加光谱滤波器以滤除非共振成分，可以把单光子纯度提高到2.80%，HOM（全同性）可见度提高到92.30%。

这表明，光子质量的劣化原因是声子边带和激光泄漏等背景成分，而不是激子本身相干性的丧失。

对于未来的多光子实验，研究人员可根据实际需求来平衡高通量和高质量。如果追求极致的全同性，可借助光谱滤波或腔增强Purcell效应进一步缩短激子寿命，以抑制高重频下的背景重叠。

通量突破后的瓶颈转移

光源的高产固然令人振奋，但在任何硬科技领域的工程化进程中，解决了旧的瓶颈，技术前沿还会碰到下一个新瓶颈。

首当就是光子质量在高速脉冲下如何保持。

在量子计算中，“光子”是承载量子态的精密载体。要让光子之间产生高质量的干涉来实现量子逻辑门的操作，这些光子必须是全同的。换言之，它们在频率、极化、时间脉冲形状、空间模式上必须相同。

Sparrow Quantum的论文中提到一个细节：在1 GHz的极限速率下，相邻的光子脉冲之间出现了轻微的背景重叠，也就是前一个光子发出之后，它的光极衰减（220 ps）还没有完全结束，下一个光子就已经被激发出去了。

虽然目前的重叠率控制在约4%的极低水平，但这仍然意味着在超高通量下，单光子纯度与多光子纠缠保真度之间不可避免会出现微秒级的权衡博弈。

如果不引入额外的光谱滤波器（论文为了展示光源原生极限故意没有加），高速率势必对光子的全同性的要求更加苛刻。

其次是解复用系统。

目前突破的是“单通道”的时间序列单光子通量。但是真正的光量子计算网络不仅需要时间维度，更需要空间维度。也就是说，我们需要将这根光纤里每秒吐出的5亿个单光子“精确分发”到几十乃至上百条不同的波导光路中，并在同一时间把它们送入干涉仪矩阵里。

这个过程需要极高速、极低损耗的光开关。目前基于高速电光开关的解复用器在1 GHz的时钟下插入损耗通常在1-2dB以上，而且通道数越多损耗越大。即使光源端效率达50%，在经过解复用网络后，N光子符合探测概率还会进一步降低。

最后是总损耗。

从光源到光纤，从光纤到片上波导，从波导走入马赫-曾德尔干涉仪（MZI）阵列，最后再耦合进超导探测器。整个光量子系统是一条长且敏感流水线。Sparrow Quantum帮大家解决了“源头水库”的出水量问题，但如何保证渠道不漏水，目前还是缺少具有系统级革命性的单一材料或器件。

目前的行业共识是，光子封装技术需要实现代际跨越，进一步降低光纤-芯片耦合损耗；同时也需要探测器端在保持高效率（目前最好能做到90%以上）的同时，时间抖动大幅降低。

写在最后

可能很多人对Sparrow Quantum还不熟悉。Sparrow Quantum成立于2016年，由哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所彼得·洛达尔团队孵化而来，拥有超25年的量子光子学研究积累经验，想要把实验室里的单光子源推向产品。

其商用产品Sparrow Core和Sparrow Nest面向客户交付效率超过50%的确定性源，80 MHz时钟下对应每秒至少4000万光子的芯片输出。

资本和产业界的认可也在同步推进。Sparrow Quantum 2023年410万欧元种子轮融资，2025年融资规模达2150万欧元；丹麦创新基金以1620万丹麦克朗支持其容错量子计算架构项目；2026年8月入选欧盟EuroHPC量子大挑战，是唯一入选的丹麦公司。

光源处在光子路线的上游。量子密钥分发需要它，光量子计算需要它，量子模拟需要它，甚至单光子探测器的校准也需要它。也就是说，上游每前进一步，下游所有方案的可行性边界就整体平移一次。

但是，此次通量的突破并不意味着光量子计算大功告成，正如Sparrow Quantum首席量子官Peter Lodahl所说：“让单个光子表现出色需要多年的工程努力，下一个挑战是让它们通过纠缠协同工作，保持同样的控制力和可靠性。”

[1]https://sparrowquantum.com/post/enough-light-at-last-sparrow-quantum-breaks-through-a-longstanding-photon-bottleneck-in-quantum-computing

[2]https://arxiv.org/abs/2609.05387

[3]https://sparrowquantum.com/news