硅基片上多光子源研究

  ICCSZ訊 （作者 張明）浙江大學光電學院戴道鋅教授課題組和中國科學技術大學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展。研究人員利用硅納米光波導中非線性自發四波混頻效應，制備出性能優越的硅基片上雙光子偏振糾纏量子光源，并在此基礎上利用復用技術實現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，可穩定產生高亮度、可調諧、易于擴展的多光子量子態，作為一個基本單元器件可與目前光纖量子通信系統銜接，為日后量子光學技術在通信、計算和精密測量等領域的應用打下重要基礎。

  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域的關鍵需求。為制備多光子源，通常采用雙光子源復用及后選擇處理的方法。然而，其制備效率隨光子數增長呈指數下降趨勢。因此，制備多光子源的重要前提是實現高亮度、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，但仍亟需發展適用于集成量子光學的片上量子光源，這有助于降低成本及能耗，并提高器件的集成度、穩定性和擴展性。強限制光波導、高品質因子光學微腔由于光場增強具有很強的非線性光學相互作用，為實現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，通過精細調控光場模式及色散性能，顯著增強了非線性相互作用，從而實現了性能優越的片上多光子源。

圖1 用于生成和表征硅基片上多光子源的系統示意圖，主要包括三個部分：泵浦激光調制、多光子源產生和量子態分析。

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

圖2 (a)和(b)分別記錄了當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;(c)和(d)分別給出了雙光子源量子Bell糾纏態層析的理想狀態和實際測試結果，其保真度高達0.95±0.01。

  基于性能優越的片上雙光子源，利用后選擇技術，將兩個雙光子源進行復用成功得到四光子量子光源，測試結果表明其保真度為0.78±0.02，遠高于此前報道的摻雜玻璃微腔四光子量子態保真度~0.64，為當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;(c)和(d)分別給出了四光子源量子態層析的理想狀態和實際測試結果。

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

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