【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在高性能片上量子光源的研究方面取得重要進(jìn)展：該團(tuán)隊(duì)史保森教授、周志遠(yuǎn)副教授課題組展示了利用非相干光在硅基光芯片上高效制備高品質(zhì)量子光源的新方法，為開(kāi)發(fā)穩(wěn)定、高效率且低成本的集成量子光源開(kāi)辟了新的道路。相關(guān)成果于12月11日在線發(fā)表在Nature Communications上。
作為核心器件的量子光源其性能直接決定了整個(gè)量子系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和實(shí)用性。常用的基于非線性自發(fā)參量過(guò)程制備量子光源的方案一般采用具有高相干性的激光作為泵浦源，這導(dǎo)致光源品質(zhì)對(duì)激光性能的依賴，增加了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。另一方面，窄線寬的相干激光會(huì)誘導(dǎo)不必要的頻譜關(guān)聯(lián)，限制了生成量子態(tài)的頻譜純度。
在本工作中，課題組創(chuàng)新性地提出并驗(yàn)證了使用寬帶的放大自發(fā)輻射光源(ASE)作為泵浦源的量子光源制備方案，在硅波導(dǎo)內(nèi)通過(guò)自發(fā)四波混頻過(guò)程實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)量子光源的制備。理論分析和數(shù)值模擬均表明，泵浦光的時(shí)域非相干性不僅不會(huì)降低量子態(tài)的質(zhì)量，反而帶來(lái)了諸多好處：首先，非相干光可以被視為大量獨(dú)立單色光源的相位無(wú)關(guān)線性組合，這種特性打破了非線性相互作用的簡(jiǎn)并性，導(dǎo)致光子對(duì)產(chǎn)生速率的提升；其次，非相干光天然的頻譜非關(guān)聯(lián)特性可以被“傳遞”給生成的光子對(duì)，提高了量子態(tài)的頻譜純度。
圖1 .(左)聯(lián)合譜振幅和純度的理論模擬和(右)偏振糾纏源的參數(shù)表征
實(shí)驗(yàn)結(jié)果則有力地證實(shí)了理論預(yù)測(cè)。與相干激光泵浦相比，采用非相干光泵浦方案的光子對(duì)產(chǎn)生速率提升了40%；同時(shí)，在衡量量子光源關(guān)聯(lián)特性的關(guān)鍵指標(biāo)——符合計(jì)數(shù)與偶然符合比和二階自相關(guān)函數(shù)上，非相干光泵浦的方案也展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是在低功率下，能夠有效抑制背景噪聲的干擾，獲得更純凈的單光子源。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)還利用這種方法制備出了高質(zhì)量的偏振糾纏量子態(tài)，糾纏態(tài)的保真度高達(dá)95.7% ± 0.1%，并且Bell不等式的測(cè)量值達(dá)到了S = 2.64 ± 0.02。此外，非相干光的低時(shí)間相干性還消除了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中由光纖端面反射等因素引入的干涉效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖2. 實(shí)驗(yàn)裝置圖
這項(xiàng)工作更新了人們對(duì)量子態(tài)制備中泵浦光相干性的傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了光學(xué)非相干性與量子特性之間的深刻聯(lián)系。它不僅為量子光源的設(shè)計(jì)提供了新思路，也極大地放寬了對(duì)泵浦源的技術(shù)要求，證明了通常被視為光學(xué)噪聲的ASE光源也可以被有效用于量子態(tài)的生成。未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)有望應(yīng)用于更多依賴自發(fā)四波混頻效應(yīng)的物理體系以及其它光與物質(zhì)相互作用的過(guò)程，并推動(dòng)單片集成量子光子學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子信息處理和量子網(wǎng)絡(luò)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生宋悅瑋、重慶聯(lián)合微電子中心在讀工程博士生趙恒和已畢業(yè)的博士生陳立為共同第一作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授史保森、副教授周志遠(yuǎn)為論文的共同通信作者。這項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、科技部和中國(guó)科大“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。
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