清华大学 交叉信息院段路明研究组实现高增益的微波单光子三极管
2024/04/23
959近日，清华大学交叉信息研究院段路明研究组在单光子三极管的研究工作中取得重要进展，首次在实验中利用超导量子电路实现了微波单光子三极管，并实现了高达53.4dB的增益和超过20dB的开关比，相比之前的器件提高几个量级。
电子三极管是一种重要的半导体器件，它既可以工作在数字电路中实现经典逻辑门，又能够用于模拟电路实现电流放大。与之类似，单光子三极管是一种能够通过单个栅极光子控制输入光信号开关和放大的光量子器件，在光量子网络和全光计算领域具有重要的应用。但是由于光子之间的相互作用非常微弱，实现高性能的单光子三极管非常具有挑战性。在之前的工作中，有研究组借助单个原子、原子系综或者半导体量子点实现了光子之间的有效相互作用，研制出了光波频段的单光子二极管，但受限于这些体系中不完美的量子操控或者相对较弱的光和物质相互作用，单光子二极管的有效增益最高不超过100，开关比也相对较差，极大地限制了可能的应用。
图1. 单光子三极管的工作原理
在此项工作中，研究人员利用超导量子电路实现了极高增益和开关比的微波单光子三极管。如图1a和b所示，他们采用一个超导量子比特和微波谐振腔的耦合系统作为三极管的栅极，在栅极入射的单光子可以改变超导量子比特的状态，进而改变与之耦合的另一个微波谐振腔（提供源极和漏极）的共振频率，从而能够对在源极入射的微波光子完成开关操作。在实验中，研究人员用微弱的相干态微波信号模拟单光子态用作栅极的控制信号，他们发现单个光子的确能够有效的控制三极管的开启和关断，实现对源极微波信号的开关操作。由于源极微波光子数可以很高，这也相当于实现了对栅极单光子信号的有效放大。研究人员发现，该三极管可以在一个很大的源极信号强度范围内正常工作，这相当于实现了一个增益极高的单光子放大过程。如图2a和b所示，即使当源极的入射光子数接近106个的时候，该三极管依然可以有超过20dB的开关比，同时实现约53.4dB（相当于2.19×105）的增益，比之前的工作提高了三个数量级。这项工作为基于微波光子的量子网络和量子信息处理技术奠定了重要的基础。
图2. 极高增益和开关比的微波单光子三极管
本研究成果近日以“一种超高增益的微波单光子三极管”（An ultra-high gain single-photon transistor in the microwave regime）为题在线发表在《自然?通讯》（Nature Communications）期刊上。
清华大学交叉信息研究院2017级博士王志凌、2018级博士生鲍增晖和2020级博士生李严为文章的共同第一作者，论文通讯作者为段路明教授和张宏毅副研究员，其他作者还包括吴宇恺助理教授、2017级博士蔡伟州、博士后王韦婷、2017级博士韩玺月、2019级博士生王家辉、宋祎璞研究员和孙麓岩副教授。
该项目得到了科技创新2030-“量子通信与量子计算机”重大项目、清华大学自主科研计划、教育部和国家自然科学基金的资助与支持。
鏂囩珷鏉ユ簮清华大学新闻锛屽垎浜彧涓哄鏈氦娴侊紝濡傛秹鍙婁镜鏉冮棶棰樿鑱旂郴鎴戜滑锛屾垜浠皢鍙婃椂淇敼鎴栧垹闄ゃ
-
绗簲灞婁紶鎰熴佹祴閲忋侀氫俊涓庣墿鑱旂綉鎶鏈浗 42
-
2026骞9鏈堜紭璐ㄥ浗闄呭鏈細璁帹鑽 263
-
2026骞寸15灞婅绠椾笌妯″紡璇嗗埆鍥介檯 212
-
2026骞寸浜屽眾璁＄畻鏈鸿瑙変笌鏈哄櫒瀛︿範 2124
-
2026骞存棤浜烘満閬ユ劅涓庝汉宸ユ櫤鑳藉浗闄呬細 472
-
2026璧勬簮銆佸寲瀛﹀寲宸ヤ笌搴旂敤鏉愭枡鍥介檯 3740
-
2026骞村浘鍍忓鐞嗕笌鏁板瓧鍒涙剰璁捐鍥介檯 3525
-
2026骞存満姊板伐绋嬶紝鏂拌兘婧愪笌鐢垫皵鎶鏈 8084
-
2026骞存潗鏂欑瀛︺佷綆纰虫妧鏈笌鍔ㄥ姏宸 3712
-
绗笁灞婂浗闄呬細璁瑷瀛︺佸績鐞嗗涓庡垱鎰忔暀 08-07
-
2026骞村缓绛戠瀛︺佹潗鏂欏伐绋嬩笌鍙寔缁 08-07
-
2026骞村浗闄呬細璁噾铻嶇鎶銆佸競鍦鸿惀閿 08-07
-
绗笁灞婂浗闄呯ぞ浼氱瀛︿笌鏂囧寲鐮旂┒浼氳骞宠 08-07
-
ICSSCS 2026 - 瀛愯鍧涳細 08-07
-
绗笁灞婄ぞ浼氱瀛︿笌鏂囧寲鐮旂┒鍥介檯浼氳骞宠 08-07
2026骞存櫤鑳藉尰瀛﹀拰鍥惧儚璁＄畻鍥介檯浼氳(IMI.
2026骞寸涓冨眾鎺у埗, 鏈哄櫒浜轰笌鏅鸿兘绯荤粺鍥介檯.
绗叚灞婄數瀛愪俊鎭伐绋嬩笌璁＄畻鏈烘妧鏈浗闄呭鏈細璁紙.
2026骞存櫤鑳芥満鍣ㄤ汉涓庢帶鍒舵妧鏈浗闄呬細璁(CI.
绗節灞婅绠楁満淇℃伅绉戝涓庝汉宸ユ櫤鑳藉浗闄呭鏈細璁(.
2026骞翠紶鎰熷櫒鎶鏈佽嚜鍔ㄥ寲涓庢櫤鑳藉埗閫犲浗闄呬細.
绗簲灞婂叕鍏辨湇鍔°佺粡娴庣鐞嗕笌鍙寔缁彂灞曞浗闄呭鏈.
绗簩灞婂厛杩涚數瀛愩佹櫤鑳芥妧鏈笌璁＄畻鍥介檯瀛︽湳浼氳锛.
绗簩灞婄數瀛愪俊鎭伐绋嬩笌浜哄伐鏅鸿兘鍥介檯瀛︽湳浼氳锛圗.
2026骞寸浜斿眾绠楁硶銆佹暟鎹寲鎺樺拰淇℃伅鎶鏈浗闄.
2026骞存暟瀛楀寲鎶鏈笌鏅烘収鍐滅墽涓氬浗闄呭鏈細璁.
2026骞翠汉宸ユ櫤鑳戒笌鏈哄櫒浜虹郴缁熷浗闄呬細璁(IC.
2026骞寸浜屽眾鐢靛姏涓庡彲鎸佺画鑳芥簮鎶鏈浗闄呬細璁.
2026IEEE绗笁灞婁簹娲插厛杩涚數姘斾笌鐢靛姏宸ョ▼.
绗竷灞婃満鍣ㄥ涔犱笌璁＄畻鏈哄簲鐢ㄥ浗闄呭鏈細璁紙IC.
-
2026 JCR褰卞搷鍥犲瓙姝ｅ紡鍙戝竷1135
-
涓浗绉戝崗鍙戝竷2025骞淬婇噸瑕佸鏈1583
-
2026骞存柊閿愬垎鍖猴紙鍘熶腑绉戦櫌鏈熷垔8243
-
2025骞翠袱闄㈤櫌澹閫夋湁鏁堝欓変汉6001
-
濂藉鏈:绉戠爺缃戝潃瀵艰埅|瀛︽湳澶存潯鍒7917
-
2025骞村浗闄呮湡鍒婇璀﹀悕鍗曞彂甯!8062
-
2025骞翠腑绉戦櫌鏈熷垔鍒嗗尯琛ㄩ噸纾呭彂28351
-
鍚夋灄澶у鏍￠暱寮犲笇锛氬鏈細璁腑鐨勬彁9122
-
娓呭崕澶у璁＄畻鏈虹郴楂樻ц兘鎵鑾峰緱IE07-31
-
鍖椾含澶у鐢熷懡绉戝瀛﹂櫌浼婃垚鍣ㄨ棰樼粍07-31
-
鍖椾含澶у缃楁銆佹潕闃挎槑銆佹柟鏂硅棰樼粍07-31
-
鍖椾含澶у鐢熷懡绉戝瀛﹂櫌閮己鍥㈤槦涓庡悎07-31
-
娓呭崕澶у闆嗘垚鐢佃矾瀛﹂櫌浠诲ぉ浠ゅ洟闃熷悎07-31
-
娓呭崕澶у5浣嶆竻鍗庝汉褰撻夆202607-31
-
鐮旂┒鎻ず鐑甫闆ㄦ灄浼樺娍鏍戠鏈涘ぉ鏍戝辜07-31
-
国际工学 2694
-
尚豆文化（北京）有限公司 23388
-
深圳市坪山燕子湖国际会展中心管理 3902
-
上海同城优代文化营销有限公司 8487
-
广东省广州市辉煌大酒店 18568
-
WWX 23461
-
桂林电子科技大学 21604
-
湖北学而升文化传播有限公司 8443
-
中国传媒大学 21483
-
理实环球国际咨询(北京)有限公司 8847
-
西南交通大学 2831
-
艾会网 3480
-
北京艾尚国际展览有限公司 8520
-
海南福威斯国际会展服务有限公司 18468
-
中国科学院电工研究所 23415
-
博思+为云会议系统名称 21753
-
武汉金钥匙会务服务有限公司 21692
-
天津大学 21571
-
广东南方软实力研究院 23654
-
gds 24544
