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2020-07-08 作者:记者 苏雁 通讯员 高雅 来源:光明日报

高维量子纠缠光源制备又辟蹊径

南京大学在高维量子纠缠光源研究领域又取得了重大突破。6月26日,南大固体微结构物理国家重点实验室王漱明、张利剑、王振林、祝世宁等与香港理工、中科大合作者的研究成果以“基于超构透镜阵列的高维量子纠缠和多光子光源”为题发表在最新一期《科学》杂志上。

量子信息是目前国际上最前沿、最活跃的研究领域之一。随着光量子信息技术的发展,现有的基于非线性光学过程的纠缠量子光源在维度扩展以及光子数增加方面面临着光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题,并不能满足量子通讯、量子计算、量子计量等领域对于高维、多光子的实用化需求,制约着光量子信息朝着大规模集成方向发展。最近,一种称之为“超构表面”的微结构薄膜材料的研究与发展为量子光源及光量子信息技术的发展提供了一条全新的路径。

在“超构表面与超构透镜”研究方面,南京大学王漱明、李涛等一直处于国际领先。他们提出的相位拆分原理,解决了通过超构表面材料实现透镜成像的宽带消色差问题,采用与合作者一起设计与制备的可见光宽带连续消色差超构透镜,实现了白光照明成像、彩色图片成像以及超构透镜阵列的光场成像。这些都是在国际上率先报道并一直处于领先的工作。

在此研究基础上,项目组将超构透镜与非线性光学晶体(β相偏硼酸钡晶体,简称BBO晶体)组合在一起,构成全新的超构表面量子光源系统。他们设计并制备出10×10的超构透镜阵列,使用泵浦激光入射到该系统,超构透镜阵列将泵浦激光均匀的分成10×10份,并在BBO晶体中聚焦;聚焦的泵浦光在BBO中发生自发参量下转换过程,产生一系列信号/闲置光子对,理论上这一结构制备出的路径纠缠光子的维度可达100,也能产生多光子。如果继续增加透镜阵列数,纠缠光子的维度还可以进一步提高。

实验上他们采用波长为404nm的连续激光作为泵浦光,测量了由超构透镜阵列中不同的超构透镜产生的光子之间的纠缠特性。实验测得所构成的二维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%,96.6%和95.0%。不仅如此,超构透镜具有灵活的光场调控能力,可以对光场的相位、偏振、振幅等集成调控,从而进一步调制光子的纠缠特性。在该项工作中,研究团队通过对超构透镜的相位设计,对所制备的量子纠缠态进行了精细的相位编码,并通过实验进行了很好的证明。

另外,该系统还可以用于制备简易紧凑的多光子源。实验中利用415nm的飞秒激光作为泵浦源,分别测量了由该系统制备的4光子和6光子的符合曲线,并展示了4光子Hong-Ou-Mandel干涉的结果,得到很高的干涉对比度,证明产生的多光子量子光源具有很好的性质,理论上纠缠光子数也可以进一步增加。

该工作通过将新兴研究领域——超构表面技术引入量子信息领域,实现了高维度、集成化的双光子、多光子纠缠光源,突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制,有望应用于高维度的量子通信、量子计算、量子存储等领域,对于发展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技术具有重要意义。