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。该成果论文《An ultra-high gain single-photon transistor in the microwave regime（一种超高增益的微波单光子三极管）》近日在线发表于Nature Communications（《自然•通讯》）杂志上。

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三极管，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，单光子三极管的有效增益最高不超过100，开关比也相对较差，极大的限制了可能的应用。

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

清华大学交叉信息研究院2017级博士生王志凌、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，蔡伟州，王韦婷，韩玺月，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（2021ZD0301704），清华大学自主科研计划、教育部和国家自然科学基金（项目编号11874235和11925404）的资助与支持。