中科大實現軌道角動量光子的量子頻率轉換

　　中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室在軌道角動量(OAM)光子的量子頻率轉換研究領域取得系列進展：該實驗室教授史保森領導的小組在國際上首次實現了OAM單光子、OAM糾纏光子以及OAM與偏振組成的混合糾纏光子的頻率上轉換，證明了在頻率變換過程中單光子的量子相干性和光子對的糾纏特性保持不變。主要研究成果分別發表在《光：科學與應用》[Light: Sci. & Appl. 5, e16019 (2016)]和8月29日的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 117, 103601(2016)]上。論文的第一作者為博士後周志遠。

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　　攜帶OAM的光束在精密測量、微小粒子的囚禁與操控以及基礎物理研究等領域具有重要應用，同時基於OAM編碼的光信息處理由於其信道容量大的優點已成為光通信領域的研究熱點。基於OAM編碼構建高維量子網絡是目前量子信息領域的一個重要研究方向，並在近幾年取得了許多突破性進展，如史保森小組在國際上首先實現了OAM單光子[Nat. Commun. 4, 2527(2013)]以及OAM糾纏[Phys. Rev. Lett. 114, 050502 (2015)]的量子存儲。在量子通信中，作為信息載體的光子需要在低損耗的通信窗口傳輸，而作為信息存儲和處理單元的物理體系其工作波長一般不在通信窗口，因此需要在兩者之間建立量子接口以滿足量子信息既可被存儲又能長距離傳輸的基本要求，基於非線性過程的光子頻率轉換就是建立量子接口的一種行之有效的方法。能夠實現該功能的轉換器可稱為量子頻率變換器，其基本要求是除了能夠按照需要變換光子的頻率之外，更重要的是不能破壞原有量子態的量子關聯與相干特性。儘管人們已經實現了高斯單光子以及糾纏光子的頻率轉換，然而迄今為止能否實現和如何實現OAM光子以及OAM糾纏光子的頻率轉換仍然是一個"open question"。

　　中科院量子信息重點實驗室教授史保森和博士後周志遠等從2012年就開始了攜帶OAM光束的非線性頻率轉換研究，取得了一系列進展[OL 37，3270 (2012);PRA 85，053815(2012);OE 22, 20298(2014);OE 22, 23673(2014); J. Opt. Soc. Am. B 32, 407 (2015)]，並在此基礎上取得重要突破：他們利用周期性非線性晶體作為變頻介質，採用外腔共振技術提高轉換效率，首次成功實現了OAM單光子從紅外到可見波段之間的頻率上轉換，並證明了在頻率轉換過程中光子的非經典關聯和量子相干性保持不變，邁出了基於頻率轉換器實現量子接口的關鍵一步[light: Science & Applications 5, e16019(2016)]。最近，他們又將這項技術提升到一個全新的高度：在國際上首次實現了OAM糾纏光子以及OAM與偏振組成的混合糾纏光子從紅外到可見波段的頻率轉換，並且驗證了光子的糾纏特性在轉換過程中保持不變[Phys. Rev. Lett. 117, 103601(2016)]。這一系列工作對實現在不同波長的OAM量子網絡的對接和量子信息交互具有重要意義。

　　這一系列工作也開闢了量子光學與非線性光學研究的新篇章，為研究高維OAM量子態的相干波長轉換、極弱光強下複雜空間光場的上轉換探測以及短波長OAM光束的製備具有重要價值。此外，由於紅外圖像信號在遙感、夜視、天文觀測等領域具有非常重要的作用，因而紅外圖像的高精度探測尤為重要，但常用的紅外探測存在設備精度低、解析度不高、探測效率低且設備昂貴等一系列問題。將圖像信號通過頻率上轉換至可見波段，利用高精度、高靈敏度且價格低廉的可見波段探測設備進行探測是解決以上問題的一條有效途徑。史保森小組所取得的系列成果對構建紅外信號上轉換探測器，解決紅外圖像信號、特別是微弱信號的檢測具有重要價值。

　　這項工作得到國家基金委、中科院、科技部和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。

　　

 

　　OAM糾纏光子頻率轉換示意圖