中國科大在基於單光子源的量子精密測量方面取得重要進展

2020-12-05 中國科大..

中國科大在基於單光子源的量子精密測量方面取得重要進展

中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽等與美國普林斯頓大學Marlan Scully、德國維爾茲堡大學Sven Hofling等合作，在同時具備高純度、高不可分辨、高效率的單光子源器件上觀察到強度壓縮，為基於單光子源的量子精密測量奠定了基礎。論文以「編輯推薦」形式近日發表於《物理評論快報》。美國物理學會Physics網站以「面向完美的單光子源」（Toward a Perfect Single-Photon Source）為題專門對該工作做了高亮報導。

單光子源是光量子信息技術中的關鍵器件，不僅可以應用於量子通信、量子計算（特別是玻色取樣），同時也是量子精密測量的重要資源。量子精密測量中的一個重要方向是減少由於探測有限粒子而引起的統計漲落——散粒噪聲。

量子信息科學的發展為精密測量技術提供了新的物理資源。2004年，潘建偉和同事在國際上首次實現多光子糾纏NOON態，演示了比單粒子高4倍靈敏度的非局域的德布羅意波長(Nature 429, 158)。此後，基於糾纏的量子精密測量快速發展，其中，中科大研究組先後演示了6、8、10、12、18倍靈敏度的德布羅意波長，並擴展到冷原子領域。

壓縮態是壓制散粒噪聲的另一量子資源。量子技術的發展使得實驗物理學家可以在海森堡不確定原理的限制下，調節一對共軛量（如位置和動量、時間和能量等）的相對大小，把所需測量的物理量不確定性壓低。其中，有一類壓縮態被稱為強度壓縮，可以把光子數抖動降低到散粒噪聲以下；另一類壓縮態被稱為正交分量壓縮，比如相位分量的噪聲可以降低到小於經典相干態相位噪聲。在實際應用中，從2011年引力波探測器LIGO開始使用注入壓縮真空態來提供探測靈敏度，提高了50%的可探測事件數量。

1979年，Mandel從理論上預言，單個二能級系統的共振螢光中可觀察到強度壓縮。隨後的理論分析指出，直接探測多光子源的強度壓縮需要很高的螢光系統效率。但由於共振螢光的產生、提取和收集等過程中帶來的光子數損失，直接觀測強度壓縮一直以來是個巨大的挑戰。

中科大研究組長期致力於發展高品質的單光子源，首創了脈衝共振螢光方法，利用微腔耦合提高單光子提取效率。2019年，通過雙色激發[Nature Phys. 15, 941]和極化腔方案[Nature Photon. 13, 770]成功解決單光子由於極化損耗而至少損失50%的科學難題。在此基礎上，研究小組發展了高品質單光子源，通過對共振螢光的直接測量，證明了0.59 dB的強度壓縮，在第一物鏡處的壓縮量達到3.29 dB。這是自從2000年實現量子點單光子源後，科學家通過20年的努力首次在該體系直接觀測到強度壓縮，為基於單光子源的無條件超越經典極限的精密測量奠定了科學基礎，也為在極低光功率下定義發光強度坎德拉這一基本國際單位提供了一條新的途徑。

該研究工作得到了自然科學基金委、科技部、中科院、教育部等單位的支持。

論文連結：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.153601

美國物理學會報導：https://link.aps.org/doi/10.1103/Physics.13.s127

歐盟計量研究項目「量子坎德拉」：http://www.quantumcandela.org/project.html



（中科院量子信息與量子科技創新研究院、合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部）

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