光子集成多光子糾纏量子態(tài)以及片上光頻梳研究獲重要進(jìn)展

　　3月11日，Science 雜志刊登了中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員Brent E. Little與加拿大魁北克國(guó)立科學(xué)研究所、英國(guó)薩塞克斯大學(xué)、香港城市大學(xué)等單位合作發(fā)表的題為Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs 的研究論文。同日，Science 刊登了題為The time is right for multiphoton entangled states – A chip-based microresonator enables time-bin entanglement 的評(píng)論文章，對(duì)該片上多光子糾纏量子頻梳給予介紹和高度評(píng)價(jià)。該工作是西安光機(jī)所繼片上并行預(yù)報(bào)（Heraled）單光子源（Optics Express, 22, 6536, 2014）和片上交叉偏振糾纏光子對(duì)（Nature Communications, 6, 8236, 2015）之后在光子集成片上量子光學(xué)研究上的又一重要進(jìn)展。

　　多光子糾纏態(tài)是量子通信、量子計(jì)算和超越經(jīng)典極限的超高分辨率傳感及成像技術(shù)的基石，同時(shí)在探索量子物理基本問題方面有著極為重要的應(yīng)用。特別是大規(guī)模集成的片上糾纏光子源已成為量子應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的迫切需求。Brent E. Little等人利用微環(huán)諧振腔中的自發(fā)四波混頻效應(yīng)，以時(shí)域分離、相位可調(diào)的光脈沖對(duì)為泵浦源，得到跨越S-C-L三個(gè)通信波段的頻率間隔為200GHz的糾纏光子對(duì)——該糾纏光子源是迄今為止帶寬最寬的量子頻梳，其量子干涉條紋可見度達(dá)到93.2%。通過(guò)在兩個(gè)不同的諧振波長(zhǎng)上同時(shí)提取兩對(duì)光子，得到四光子糾纏態(tài)，其量子干涉條紋可見度達(dá)到89%。該研究開創(chuàng)了片上產(chǎn)生和控制復(fù)雜量子態(tài)的時(shí)代，并提供了一個(gè)可規(guī)?；傻墓饬孔有畔⑻幚砥脚_(tái)。

　　Brent E. Little在集成光學(xué)領(lǐng)域有20余年的研究經(jīng)歷，是國(guó)際著名光子集成專家，于2013年全職加入西安光機(jī)所從事光子集成相關(guān)技術(shù)研究。他是微環(huán)諧振腔理論與實(shí)驗(yàn)研究的早期開拓者之一，其關(guān)于微環(huán)上-下話路濾波器的文章迄今已被引用超過(guò)1300次。同時(shí)在片上非線性效應(yīng)方面也有諸多建樹，在光參量振蕩、鎖模激光器、多通道糾纏光子對(duì)產(chǎn)生等研究方向上已有十余篇論文發(fā)表在Nature Photonics、Nature Communication 等期刊上。

　　同時(shí)，西安光機(jī)所中-英微納光子學(xué)聯(lián)合研究中心副主任青年學(xué)者張文富課題組近期在光子集成片上光頻梳領(lǐng)域也取得系列進(jìn)展。張文富課題組經(jīng)過(guò)3年多理論與工藝攻關(guān)，近期在國(guó)際上首次在Si3N4微環(huán)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了可見光光頻梳，即在單個(gè)集成微環(huán)器件內(nèi)，利用四波混頻和三階和頻效應(yīng)，同時(shí)產(chǎn)生了紅外與綠光頻梳。同時(shí)激發(fā)的紅外光頻梳寬達(dá)2/3倍頻程(1300-2100nm)；綠光頻梳帶寬和功率均為目前世界記錄（502-580nm, 80THz,0.1mW)，轉(zhuǎn)換效率為-35dB。解決了由于微環(huán)內(nèi)強(qiáng)Rayleigh散射和強(qiáng)材料色散所導(dǎo)致的無(wú)法在可見光波段產(chǎn)生光頻梳的難題。同時(shí)，基于高Q值（>2*106）上下話路微環(huán)諧振腔（Add-Drop Filter），實(shí)現(xiàn)基于光參量振蕩（OPO）微環(huán)光頻梳，泵浦功率50mW、頻率間隔50GHz、帶寬大于200nm，產(chǎn)生了高質(zhì)量微波信號(hào)。利用雙泵浦自鎖定鎖模激光腔系統(tǒng)，首次利用外腔調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了頻率間隔調(diào)諧，產(chǎn)生了300GHz、400GHz、1THz以及2.3THz超高重復(fù)頻率穩(wěn)定光頻梳。由于其小型化以及高重復(fù)頻率的特點(diǎn)，有望在未來(lái)天文觀測(cè)、集成微波光子源、RF任意波前產(chǎn)生、光通信、小型化光鐘等領(lǐng)域產(chǎn)生重要應(yīng)用。過(guò)去10年中，國(guó)際上關(guān)于Kerr微腔光頻梳的研究取得了一系列重大突破，受限于工藝技術(shù)等條件，我國(guó)在此方向還未有重大進(jìn)展。