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    我国学者在高维量子纠缠光源制备研究方面取得进展

    日期 2020-07-09   来源:数理科学部   作者:姜向伟 郭海中 张诗按 倪培根  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:11621091、11822406、11834007、11774164、61590932、11774333、11690032、91836303、61490711)等资助下,由南京大学祝世宁院士、王振林教授、张利剑教授和王漱明副教授团队、香港理工大学蔡定平教授团队、中国科学技术大学任希锋副教授团队和华东师范大学李林研究员组成的联合团队通力合作,在高维量子纠缠光源制备研究方面取得进展。通过结合超构透镜阵列与非线性晶体,成功制备出高维路径纠缠光源和多光子光源,该成果以“基于超构透镜阵列的高维纠缠和多光子量子光源(Metalens-array-based high-dimensional and multi-photon quantum source)”为题,于2020年6月26日,发表在《科学》(Science)杂志上,文章链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6498/1487。

      量子信息是目前国际上最前沿、最活跃的研究领域之一。随着光量子信息技术的发展,现有基于非线性光学过程的纠缠量子光源在维度扩展以及光子数增加方面面临着光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题,不能满足量子通讯、量子计算、量子计量等领域对于量子光源的高维度和多光子数的要求,制约了光量子信息处理的大规模集成。最近,一种称为“超构表面”的微结构薄膜材料的研究与发展为量子光源及光量子信息技术的发展提供了一条全新的路径。

      科研团队将超构透镜与非线性光学晶体(β相偏硼酸钡晶体,简称BBO晶体)组合在一起,构成全新的超构表面量子光源系统。他们设计并制备出10×10超构透镜阵列,使用泵浦激光入射到该系统,超构透镜阵列将泵浦激光均分成10×10份,并在BBO晶体中聚焦;聚焦的泵浦光在BBO中发生在自发参量下转换过程中,产生一系列信号/闲置光子对。理论上,这一结构制备出的路径纠缠光子的维度是100维,而且通过增加透镜阵列数,纠缠光子的维度可以进一步提高。

      研究人员采用波长为404 nm的连续激光作为泵浦光,测量了由超构透镜阵列中不同的超构透镜产生的光子之间的纠缠特性。实验测得所构成的二维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%、96.6%和95.0%。不仅如此,超构透镜具有灵活的光场调控能力,可以对光场的相位、偏振、振幅等集成调控,从而进一步调制纠缠态。另外,该系统也可以用于制备简易紧凑的多光子源。实验中利用415 nm的飞秒激光作为泵浦源,分别测量了由该系统制备的4光子和6光子的符合曲线,并展示了4光子Hong-Ou-Mandel干涉的结果,得到很高的干涉对比度,证明产生的多光子量子光源具有很好的性能。

      该工作实现了高维度、集成化的纠缠光源和多光子源制备,突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制,有望应用于高维度的量子通信、量子计算、量子存储等领域,对于发展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技术具有重要意义。

    A.高维量子纠缠光源示意图 B.超构透镜阵列光学照片 C.超构透镜扫描电子显微镜照片 D.100路参量下转换光子对   E.三维路径纠缠测试结果  F.四维路径纠缠测试结果

    图. 基于超构透镜阵列的高维量子纠缠光源