硅基片上多光子源研究

  ICCSZ訊 （作者 張明）浙江大學(xué)光電學(xué)院戴道鋅教授課題組和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中科院量子信息重點實驗室任希鋒教授課題組合作，在硅基片上多光子源研究方面取得重要進(jìn)展。研究人員利用硅納米光波導(dǎo)中非線性自發(fā)四波混頻效應(yīng)，制備出性能優(yōu)越的硅基片上雙光子偏振糾纏量子光源，并在此基礎(chǔ)上利用復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)了硅基片上四光子源。該硅基片上多光子源具有CMOS工藝兼容性，可穩(wěn)定產(chǎn)生高亮度、可調(diào)諧、易于擴(kuò)展的多光子量子態(tài)，作為一個基本單元器件可與目前光纖量子通信系統(tǒng)銜接，為日后量子光學(xué)技術(shù)在通信、計算和精密測量等領(lǐng)域的應(yīng)用打下重要基礎(chǔ)。

  多光子源是量子通信、量子計算、量子模擬和量子精密測量等領(lǐng)域的關(guān)鍵需求。為制備多光子源，通常采用雙光子源復(fù)用及后選擇處理的方法。然而，其制備效率隨光子數(shù)增長呈指數(shù)下降趨勢。因此，制備多光子源的重要前提是實現(xiàn)高亮度、高保真度的雙光子量子光源。

  盡管基于非線性塊狀晶體材料的量子光源研究已非常成熟，但仍亟需發(fā)展適用于集成量子光學(xué)的片上量子光源，這有助于降低成本及能耗，并提高器件的集成度、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性。強限制光波導(dǎo)、高品質(zhì)因子光學(xué)微腔由于光場增強具有很強的非線性光學(xué)相互作用，為實現(xiàn)片上雙光子源甚至多光子源提供了有效平臺。在本工作中，研究人員基于硅納米光波導(dǎo)，通過精細(xì)調(diào)控光場模式及色散性能，顯著增強了非線性相互作用，從而實現(xiàn)了性能優(yōu)越的片上多光子源。

圖1 用于生成和表征硅基片上多光子源的系統(tǒng)示意圖，主要包括三個部分：泵浦激光調(diào)制、多光子源產(chǎn)生和量子態(tài)分析。

  硅材料本身已經(jīng)具有較高的三階非線性增益，為了增強非線性響應(yīng)，提高四波混頻過程的轉(zhuǎn)化率，研究人員通過設(shè)計優(yōu)化硅基微納光波導(dǎo)參數(shù)來調(diào)控硅納米線波導(dǎo)的色散性能，并同時增強波導(dǎo)中光場和非線性材料的相互作用，最終獲得了信噪比優(yōu)越的片上雙光子糾纏光源，這為后續(xù)多光子源的制備打下良好基礎(chǔ)。

圖2 (a)和(b)分別記錄了當(dāng)信號光在起偏器角度為0°(紅色曲線)和45°(黑色曲線)時干涉情況的符合計數(shù);(c)和(d)分別給出了雙光子源量子Bell糾纏態(tài)層析的理想狀態(tài)和實際測試結(jié)果，其保真度高達(dá)0.95±0.01。

  基于性能優(yōu)越的片上雙光子源，利用后選擇技術(shù)，將兩個雙光子源進(jìn)行復(fù)用成功得到四光子量子光源，測試結(jié)果表明其保真度為0.78±0.02，遠(yuǎn)高于此前報道的摻雜玻璃微腔四光子量子態(tài)保真度~0.64，為當(dāng)時片上多光子量子光源的最高水平。

圖3 (a)和(b)分別記錄了當(dāng)信號光在起偏器角度為0°(紅色曲線)和45°(黑色曲線)時干涉情況的符合計數(shù);(c)和(d)分別給出了四光子源量子態(tài)層析的理想狀態(tài)和實際測試結(jié)果。

  相關(guān)研究成果發(fā)表"Generation of multi-photon quantum states on silicon"為題，發(fā)表在Light: Science & Applications上。該工作得到國家自然科學(xué)基金，國家重點研發(fā)計劃的資助。

  論文鏈接：

  https://doi.org/10.1038/s41377-019-0153-y