光子集成多光子糾纏量子態以及片上光頻梳研究獲重要進展

2020-12-04 中國科學院

　　3月11日，Science 雜誌刊登了中國科學院西安光學精密機械研究所研究員Brent E. Little與加拿大魁北克國立科學研究所、英國薩塞克斯大學、香港城市大學等單位合作發表的題為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 的評論文章，對該片上多光子糾纏量子頻梳給予介紹和高度評價。該工作是西安光機所繼片上並行預報（Heraled）單光子源（Optics Express, 22, 6536, 2014）和片上交叉偏振糾纏光子對（Nature Communications, 6, 8236, 2015）之後在光子集成片上量子光學研究上的又一重要進展。

　　多光子糾纏態是量子通信、量子計算和超越經典極限的超高解析度傳感及成像技術的基石，同時在探索量子物理基本問題方面有著極為重要的應用。特別是大規模集成的片上糾纏光子源已成為量子應用技術發展的迫切需求。Brent E. Little等人利用微環諧振腔中的自發四波混頻效應，以時域分離、相位可調的光脈衝對為泵浦源，得到跨越S-C-L三個通信波段的頻率間隔為200GHz的糾纏光子對——該糾纏光子源是迄今為止帶寬最寬的量子頻梳，其量子幹涉條紋可見度達到93.2%。通過在兩個不同的諧振波長上同時提取兩對光子，得到四光子糾纏態，其量子幹涉條紋可見度達到89%。該研究開創了片上產生和控制複雜量子態的時代，並提供了一個可規模化集成的光量子信息處理平臺。

　　Brent E. Little在集成光學領域有20餘年的研究經歷，是國際著名光子集成專家，於2013年全職加入西安光機所從事光子集成相關技術研究。他是微環諧振腔理論與實驗研究的早期開拓者之一，其關於微環上-下話路濾波器的文章迄今已被引用超過1300次。同時在片上非線性效應方面也有諸多建樹，在光參量振蕩、鎖模雷射器、多通道糾纏光子對產生等研究方向上已有十餘篇論文發表在Nature Photonics、Nature Communication 等期刊上。

　　同時，西安光機所中-英微納光子學聯合研究中心副主任青年學者張文富課題組近期在光子集成片上光頻梳領域也取得系列進展。張文富課題組經過3年多理論與工藝攻關，近期在國際上首次在Si3N4微環內實現了可見光光頻梳，即在單個集成微環器件內，利用四波混頻和三階和頻效應，同時產生了紅外與綠光頻梳。同時激發的紅外光頻梳寬達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)，轉換效率為-35dB。解決了由於微環內強Rayleigh散射和強材料色散所導致的無法在可見光波段產生光頻梳的難題。同時，基於高Q值（>2*106）上下話路微環諧振腔（Add-Drop Filter），實現基於光參量振蕩（OPO）微環光頻梳，泵浦功率50mW、頻率間隔50GHz、帶寬大於200nm，產生了高質量微波信號。利用雙泵浦自鎖定鎖模雷射腔系統，首次利用外腔調控技術實現了頻率間隔調諧，產生了300GHz、400GHz、1THz以及2.3THz超高重複頻率穩定光頻梳。由於其小型化以及高重複頻率的特點，有望在未來天文觀測、集成微波光子源、RF任意波前產生、光通信、小型化光鍾等領域產生重要應用。過去10年中，國際上關於Kerr微腔光頻梳的研究取得了一系列重大突破，受限於工藝技術等條件，我國在此方向還未有重大進展。

    文章連結

    評論文章連結

 

圖1 實驗裝置圖

 

圖2 四光子糾纏態

 

圖3 基於OPO的寬帶Kerr光頻梳 

 

圖4 綠光與紅外光頻梳同時產生 

相關焦點

  • 光子飛輪級別的克爾微腔光頻梳
    導讀南京大學介電超晶格實驗室的謝臻達教授課題組與美國科羅拉多大學博爾德分校黃書偉教授合作在克爾微腔光頻梳研究中取得重要突破，首次獲得「光子飛輪」級別的耗散克爾光孤子光梳，具有亞飛秒的時間抖動（995 as）和超低相位噪聲
  • 矽光子晶片首次實現晶片間的量子隱形傳態和多光子糾纏
    儘管如此，信息原則上可以通過稱為量子隱形傳態的現象從一個地方轉移到另一個地方。物理學家最新發表在《自然物理學》雜誌上的研究中，提出了在矽晶片中實現這一目標的新方法。該研究結果是邁向未來量子通訊的重要基礎步驟。
  • 鈮酸鋰單晶薄膜（LNOI）開啟高速光子時代
    未來，極低光學損耗、光電功能豐富的鈮酸鋰光子學晶片將在光通信、大數據中心、光量子計算、量子通信、人工智慧等各個領域彰顯出巨大的應用價值。研究現狀近年來，結合微納刻蝕工藝和LNOI平臺的成熟，LNOI片上的電光調製器、高效非線性光學器件、光學頻率梳、聲光調製器等片上微納光子學結構被大量驗證。
  • Nature:世界最快光子AI加速器
    目前已有來自加州大學、麻省理工學院、明斯特大學等單位的研究團隊做出了一系列在網絡尺度、可集成性、片上存儲等方面的突破，然而尚未能實現較高運算速度與高維數據處理能力，光子神經網絡的超高運算潛力尚未得到證實。
  • 片上光學頻率梳:可產生光子微波,應用於衛星通信和5G網絡!
    在有限的可用帶寬上，多個無線通信設備同時傳輸數據時，會互相爭奪空間，造成嚴重的網絡擁堵現象，這也就是所謂的「頻譜危機」。目前，科學家應對這一危機的有效方法包括：向更高頻段發展、科學規劃頻譜資源、提高頻譜資源利用效率、採用逐步成熟的動態頻譜分配方式等，其中使用高頻段的載波是目前的重要趨勢之一。
  • 中國科大在分子的量子糾纏研究取得重要進展
    該研究成果以」Quantum entanglement between an atom and a molecule」為題於5月20日在線發表在《自然》上[Nature 581, 273–277(2020)]。這項成果對於未來考慮使用分子進行量子信息處理有重要推動作用。 目前有多種體系可用於探索實現量子傳感和量子信息處理。
  • 研究人員製造糾纏光子的效率比以前提高100倍
    超快的量子計算機和通信設備可能會給我們生活的無數方面帶來革命性的變化，前提是需要一個快速、高效的糾纏對光子源，用於傳輸和操縱信息。史蒂文斯理工學院的研究人員製造出了一種基於晶片的光子源，其效率是之前的100倍，使大規模的量子設備集成觸手可及。
  • 英特爾在數據中心的集成光子學方面取得了進展,已沉浸在矽光子學...
    日前，在 "Intel Labs Day "上，英特爾介紹了在推動數據中心集成光子學方面的進度，強調了自身在業界領先的技術進展，以及實現公司長期以來將光子學與低成本、大批量的矽集成生產相整合的願景。這些進展代表了光互連領域的關鍵進展，隨著數據中心中計算密集型數據工作負載越來越多，網絡流量越來越大，光互連解決了圍繞電子輸入/輸出(I/O)性能擴展的日益嚴峻的挑戰。英特爾展示了包括小型化在內的關鍵技術構件方面的進展，為更緊密地整合光學和矽技術鋪平了道路。
  • 英特爾在數據中心的集成光子學方面取得了進展
    日前，在 "Intel Labs Day "上，英特爾介紹了在推動數據中心集成光子學方面的進度，強調了自身在業界領先的技術進展，以及實現公司長期以來將光子學與低成本、大批量的矽集成生產相整合的願景。這些進展代表了光互連領域的關鍵進展，隨著數據中心中計算密集型數據工作負載越來越多，網絡流量越來越大，光互連解決了圍繞電子輸入/輸出(I/O)性能擴展的日益嚴峻的挑戰。
  • 物理學院王劍威在Nature Photonics發表綜述:集成光量子技術
    國內外對集成光量子晶片技術的研究取得許多重要進展2008年，國際上首次實現了基於二氧化矽平面光波導體系的量子受控糾纏門和量子幹涉，開創了集成光量子晶片領域的先河在過去十年間，國內外對集成光量子晶片技術的研究,取得了許多重要進展，目前已實現了片上光量子態的製備、量子操控以及單光子探測等核心功能，並且器件集成度和功能複雜度也都得到了大幅度提高。綜述總結了集成光量子晶片的主流材料體系、核心量子光學元器件，及其量子信息的前沿應用，包括量子密鑰分發和通信、物理和化學系統的量子模擬、量子玻色取樣、光量子信息處理和計算等。
  • 新型糾纏光子源快速高效
    超高速量子計算機和通信設備可以徹底改變我們生活的方方面面，但前提是需要一種快速、高效的糾纏光子對的來源，這類系統用於傳輸和處理信息。現在，美國史蒂文斯理工學院的研究人員做到了這一點，據該校官方18日最新報導，研究人員不僅創造了一種基於晶片的光子源，其效率是以前的100倍，這使大規模量子設備集成變得觸手可及。相關研究成果發表於17日的《物理評論快報》。「這對量子通信來說是一個巨大的裡程碑。」加拉格爾物理學副教授兼量子科學與工程中心主任黃玉平（音譯）說。
  • 中奧研究量子通信獲重要進展：首次實現高保真度32維量子糾纏態
    圖文無關從中國科學技術大學獲悉，該校郭光燦院士團隊近期在高維量子通信研究中取得重要進展相比0和1的2維系統，高維量子糾纏態在信道容量上有著巨大優勢。然而要實現這一優勢，必須要實現高保真度高維量子糾纏態的製備、傳輸與測量。此前人們廣泛採用軌道角動量、時間或頻率自由度進行編碼，但還沒能很好地解決高維量子糾纏態的製備、傳輸與測量問題。
  • 中奧學者聯手在量子通信研究方面獲重要進展 高保真度32維量子糾纏態首次實現
    >【科技前沿】光明日報合肥9月8日電（記者常河）記者從中國科技大學獲悉，該校郭光燦院士團隊在高維量子通信研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、柳必恆研究組與奧地利馬庫斯·胡貝教授研究組合作，首次實現了高保真度32維量子糾纏態。
  • 納米光子學:破譯光子與物質間「悄悄話」
    此外，在金屬納米結構上可以激發出表面等離激元，能夠突破光的衍射極限，將光場壓縮到納米尺度並增強局域光場的強度。「表面等離激元是材料中的電子被激發後以光頻集體振動，以波的形式沿材料表面傳播的一種元激發。類似於石頭拋在水中會激起水波沿水面傳播。」戴慶解釋說。徐紅星告訴記者，表面等離激元可以將光場束縛在遠小於光的波長的空間範圍內，實現名副其實的納米光子學。
  • 西安光機所研製出雙波長窄帶可見光頻率梳光源
    近期，中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室超快雷射技術組取得進展，研製出重頻200 MHz的飛秒全保偏光纖頻率梳和雙波長可見光頻率梳光源
  • 北大課題組發表重要研究進展,有望大幅推動光子晶片技術發展
    4月23日澎湃新聞（www.thepaper.cn）記者從北京大學獲悉，該校信息學院電子學系副教授彭超課題組4月22日在《自然》雜誌在線發表拓撲保護下單向輻射導模共振態重要研究進展，為光子器件拓展了可期應用前景。
  • 中科院院士龔旗煌最新解讀，一文讀懂光子產業的布局與未來
    實際上更重要的是一個系統工程，有光學加工製造的技術與應用、光電成像、光譜學和光的處理系統，還有光電測量、光電檢測，以及真正最後形成的光學儀器和系統。光和電是分不開的。從電的系統來看，從電學開始發展到電子學、電子迴路、電子集成，再從電子系統、電子工程到電子產業。
  • 重要進展!中國科學家實現相距一公裡的高維量子糾纏分發
    IT之家3月20日消息 據央視新聞消息，中國科學技術大學郭光燦院士團隊近日在量子通信實驗方面取得重要進展。該團隊李傳鋒、黃運鋒研究組與暨南大學李朝暉教授、中山大學餘思遠教授等合作，首次實現公裡級三維軌道角動量的糾纏分發。
  • Science | 光學頻率梳:電磁頻譜的「度量衡」
    它有效地連結了光學頻率與微波頻率，在過去二十年間推動了精密光譜學、光學測量技術、量子精密操控、光鍾等重要技術的發展（如圖1）。物理學家John L. Hall和Theodor W. Hänsch因為在雷射精密光譜學包括光頻梳技術領域取得的成就，在2005年榮獲諾貝爾物理學獎。
  • 姚佰承:石墨烯電控光纖微腔光頻梳
    、以及在光纖雷射腔中構建鎖模雷射輸出。在面向系統的實際應用中，人們希望能用一種光頻梳器件，實現上述所有方案的優點：既具有超低插入損耗，又具有高功率輸出；既高度集成，又效率突出；既能夠充分穩定，又能夠電光調控。特別是電光調控，將進一步進一步豐富化光頻梳的輸出，為光頻梳提供更為完備的功能，拓展其在複雜信號處理中的應用潛力。