中國科大揭示集成光量子器件中單光子阻塞新原理

  ICC訊  我校郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在集成光子芯片量子器件的理論研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)鄒長鈴研究組提出了在單個光學(xué)模式中利用極弱的光學(xué)非線性實(shí)現(xiàn)光子阻塞的新原理和新方案，并分析了其在集成光學(xué)芯片上實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)可行性。相關(guān)成果以“Single-Mode Photon Blockade Enhanced by Bi-Tone Drive”為題于7月18日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

  單光子之間的非線性相互作用是在室溫下實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展光量子信息處理的核心資源。然而，受限于材料的非線性極化率和光學(xué)損耗，在非線性光學(xué)系統(tǒng)中直接觀測到單光子級的光子相互作用極為困難，因此傳統(tǒng)的單光子產(chǎn)生方法主要依賴于概率性的參量下轉(zhuǎn)換并需要較高的泵浦光功率。

  鄒長鈴課題組近年致力于集成光子芯片量子器件研究。在集成芯片上，非線性光學(xué)效應(yīng)能夠通過微納光學(xué)結(jié)構(gòu)得到極大的增強(qiáng)?；谖⑶辉鰪?qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)，開展少光子、甚至單光子級的物理和應(yīng)用研究。此前，于2020年提出了利用光子二階非線性實(shí)現(xiàn)確定性、高保真度光子-光子量子相位門[Phys. Rev. Applied, 13, 044013 (2020)編輯推薦]，有望在室溫下實(shí)現(xiàn)不需要原子、超導(dǎo)比特等元件的可擴(kuò)展量子信息處理。

  最近，國際上集成非線性光子學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以鈮酸鋰、磷化銦鎵等材料為代表的平臺已經(jīng)將光學(xué)模式的單光子非簡諧度提升到了1%量級，提供了一種在室溫下實(shí)現(xiàn)弱光量子效應(yīng)的新途徑。例如，通過多個微腔耦合構(gòu)建多模量子干涉，或者以脈沖激光驅(qū)動單個微腔，可以實(shí)現(xiàn)單光子的阻塞效應(yīng)，從而利用集成光子器件從相干激光中過濾出單個光子。但是，這些研究方案所需結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件很難實(shí)現(xiàn)。此外，單模腔中動力學(xué)阻塞(dynamical blockade)的效果較差且物理機(jī)制尚不清楚。

  圖1.單模非線性光學(xué)腔中的光子阻塞

  針對以上難題，研究組引入光子的頻率自由度，提出在單個光學(xué)模式中利用兩束連續(xù)激光控制其動力學(xué)演化。通過利用非線性腔對不同頻率驅(qū)動的非均勻相應(yīng)，在特定時間精準(zhǔn)調(diào)控不同光子數(shù)態(tài)的布居數(shù)分布，高保真度地產(chǎn)生亞泊松量子統(tǒng)計光場?；谝褕蟮赖?A href="http://odinmetals.com/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e9%9b%86%e6%88%90&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">集成鈮酸鋰芯片的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究者證明了該方案的實(shí)驗(yàn)可行性。審稿人一致認(rèn)為，該研究引入了全新的物理機(jī)制(“the authors have introduced genuinely new physics”)，揭示了動力學(xué)光子阻塞的物理本質(zhì);在已報道的相關(guān)研究中是最簡單的且消耗了最少的資源(“it can generate antibunched light with high fidelity and minimal requirements”)。

  中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員李明博士和張延磊博士為論文共同第一作者，鄒長鈴教授為通信作者。本研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和安徽省的支持。

  文章鏈接：

  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.043601

  (中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)