多光子非線性量子干涉首次實現(xiàn)

  ICC訊 記者16日從中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲悉，該校郭光燦院士團隊任希鋒研究組與國外同行合作，基于光量子集成芯片，在國際上首次展示了四光子非線性產(chǎn)生過程的干涉。相關(guān)成果日前發(fā)表在光學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《光學(xué)》上。

  量子干涉是眾多量子應(yīng)用的基礎(chǔ)，特別是近年來基于路徑不可區(qū)分性產(chǎn)生的非線性干涉過程越來越引起人們的關(guān)注。盡管雙光子非線性干涉過程已經(jīng)實現(xiàn)了20多年，并且在許多新興量子技術(shù)中得到應(yīng)用，直到2017年，人們才在理論上將該現(xiàn)象擴展到多光子過程，但實驗上由于需要極高的相位穩(wěn)定性和路徑重合性，一直未獲得新進(jìn)展。光量子集成芯片，以其極高的相位穩(wěn)定性和可重構(gòu)性逐漸發(fā)展成為展示新型量子應(yīng)用、開發(fā)新型量子器件的理想平臺，也為多光子非線性干涉研究提供了實現(xiàn)的可能性。

  任希鋒研究組長期致力于硅基光量子集成芯片開發(fā)及相關(guān)應(yīng)用研究并取得系列重要進(jìn)展。在前工作基礎(chǔ)上，研究組通過進(jìn)一步將多光子量子光源模塊、濾波模塊和延時模塊等結(jié)構(gòu)片上級聯(lián)，在國際上首次展示了四光子非線性產(chǎn)生過程的相干相長、相消過程，其四光子干涉可見度為0.78。而雙光子符合并未觀測到隨相位的明顯變化，這同理論預(yù)期一致。整個實驗在一個尺寸僅為3.8×0.8平方毫米的硅基集成光子芯片上完成。

  這一成果成功地將兩光子非線性干涉過程擴展到多光子過程，為新型量子態(tài)制備、遠(yuǎn)程量子計量以及新的非局域多光子干涉效應(yīng)觀測等應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。審稿人一致認(rèn)為這是一個重要的研究工作，并給出了高度評價：該芯片設(shè)計精良，包含多種集成光學(xué)元件，如糾纏光子源、干涉儀、頻率濾波器/組合器；這項工作推動了集成光子量子信息科學(xué)與技術(shù)研究領(lǐng)域的發(fā)展。