量子光学

本小组主要研究工作包括:微纳结构中非线性光学和量子光学效应,近期的研究工作主要集中在量子光学芯片和量子行走方面。

主要领域包括:量子光学芯片,芯片上纠缠产生、刻画、调控以及功能集成;量子行走,基于量子行走的算法设计、实验实现、量子模拟等;微纳结构光子学;光学参量过程、非线性光学

1、 光学超晶格对纠缠光子的多功能集成化操控

围绕本项目的研究目标,我们建立了两维光学超晶格对光子模式操控的全面系统的理论,并设计了一种特殊的光学超晶格首次实现了对纠缠光子的多功能集成化操控。利用一块横向呈抛物线分布的周期极化钽酸锂晶体,在通过光学参量下转换产生纠缠双光子的同时实现了纠缠光子的聚焦、偏折、分束等多种精确的空间操控,见图1,这是向着有源量子芯片的目标迈进的重要进展,为量子芯片的物理实现提供了一条新的技术途径。此外,这种抛物线型光学超晶格材料还可实现无透镜量子“鬼”成像,见图2。当泵浦光照射到同一块晶体的其他区域,还可以实现无透镜的双“鬼”像。这对于量子成像领域是一个重要的跨越,因为这种技术原理可推广到其他特殊电磁波段实现无透镜非局域成像,在空间探测等领域有可能获得重要应用。

2、光子“分身”有术—光学超晶格中光子路径纠缠态产生与调控

最近,介电体超晶格实验室在集成化路径纠缠源制备方面取得新进展。将纠缠光源的制备、调控等集中到一块光学芯片上一直是量子光学领域研究人员所梦寐以求的目标,因为这样不但可以大大减小量子光源的体积,而且可以提升量子光源的品质、稳定性以及便携性,是迈向实用化量子信息处理的必经之路。

金华等博士研究生在徐平、祝世宁老师的指导下研究发现:光学超晶格晶体是制备和调控纠缠光源的优良载体。通过精心设计二维光学超晶格可直接制备可预知单光子模式纠缠、beamlike型双光子路径纠缠,甚至单光子多模纠缠和多光子路径纠缠等,这些纠缠态对量子网络构建、量子信息处理等具有重要意义。二维光学超晶格中的多重准相位匹配过程使得多个参量下转换过程能够同时发生,丰富了纠缠光子的空间分布模式,如图1(a)中,一对纠缠光子可以同时落在左边或右边的圆环(圆斑)上,分别得到可预知单光子路径纠缠(以圆环相切处闲置光子为触发信号,信号光子就不可区分的处于两圆环外侧的空间模式上了)和beamlike型|2002>态。这两类纠缠态是不可能从一般双折射匹配的非线性晶体中直接获得的,需要在晶体后级联线性光学元件进行分光或干涉得到。特别值得一提的是:beamlike型具有良好的空间模式,有利于提高耦入光纤的收集效率,对于实际应用具有重要意义。以上两类纠缠态可以通过温度调谐进行切换。进一步,我们还制备了具有级联二维畴结构的铌酸锂光学超晶格,发现它可以直接输出可预知的单光子四模纠缠,如图1(b)所示。

光学超晶格中的多重准相位匹配过程使得晶体本身在产生纠缠光子同时类似一个主动的分束器,以其特殊的方式来分发纠缠光子,使得光子分身“有术”---或者对单光子实现1N的相干分束,或者对双光子、多光子实现光子群聚分束,从而直接输出各类新颖的路径纠缠,相关工作发表在Phys. Rev. Lett. 111, 023603 (2013)上。


3、“指尖上的量子光源” ——铌酸锂光子芯片研究新进展

量子信息技术是21世纪最具魅力的领域之一,它利用量子世界的叠加原理和纠缠特性使得信息处理在容量、速度和精度等方面展现出极大优势,将成为后摩尔时代的支撑技术。而这一技术的实用化还存在很大挑战,其中如何将量子器件芯片化,即在降低成本的同时提升芯片性能成为该领域的关键课题。

最近,我校物理学院博士研究生金华等在徐平教师、祝世宁院士的指导下实现了基于铌酸锂的首个量子光学芯片,将纠缠光子源、电光调制器、光子干涉仪等功能单元成功集成在同一块基于光学超晶格的铌酸锂光子芯片上,实现了纠缠光子产生和调控的一体化设计,完成了纠缠光子对聚束态和分离态的快速切换。图1是芯片的内部结构图和外观照片。整个芯片分为三个区域,区域I是对经典抽运激光的处理,主要是对抽运光的分束和相位调制,区域II是畴反转区,也称光学超晶格区,将两路抽运光转化为简并的纠缠光子对,得到一个路径聚束态。区域III是对纠缠光子的处理,利用波导耦合器实现Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉以及对抽运光的滤波。如果II区域产生的路径聚束态中两光路相位相同,那么该聚束态经由HOM干涉后得到分离态。对于具有相位差的一般路径聚束态,干涉后得到分离态和聚束态的叠加。该铌酸锂芯片可在室温稳定工作,工作电压仅为0-3.55V,调控速率可达40GHz,光学超晶格区光子对产率为1.1×107Hz nm-1 mW-1,是一个明亮的、可调控的芯片化量子光源,其基本指标与硅基光子芯片相比具有明显优势。该芯片输入输出与光纤头直接连接并固化,芯片尺寸5cm*5mm,稳定性高, 便于携带, 接近实用化。这一工作是全固态量子芯片研究方面的重要进展, 是对铌酸锂量子逻辑门、量子模拟芯片研究的有力推动。该工作发表在物理评论快报(Phys. Rev. Lett. 113, 1036019(2014)),并作为亮点工作入选Editor’s suggestion和Physics 网站(http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett. 113. 103601). IEEE Spectrum专栏对该工作进行采访(http://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/optoelectronics/quantum-photonics-on-a-single-chip)。