中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在集成光子芯片量子器件的理論研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)鄒長(zhǎng)鈴研究組提出了在單個(gè)光學(xué)模式中利用極弱的光學(xué)非線性實(shí)現(xiàn)光子阻塞的新原理和新方案，并分析了其在集成光學(xué)芯片上實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)可行性。相關(guān)成果以“Single-Mode Photon Blockade Enhanced by Bi-Tone Drive”為題于7月18日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

單光子之間的非線性相互作用是在室溫下實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展光量子信息處理的核心資源。然而，受限于材料的非線性極化率和光學(xué)損耗，在非線性光學(xué)系統(tǒng)中直接觀測(cè)到單光子級(jí)的光子相互作用極為困難，因此傳統(tǒng)的單光子產(chǎn)生方法主要依賴(lài)于概率性的參量下轉(zhuǎn)換并需要較高的泵浦光功率。

鄒長(zhǎng)鈴課題組近年致力于集成光子芯片量子器件研究。在集成芯片上，非線性光學(xué)效應(yīng)能夠通過(guò)微納光學(xué)結(jié)構(gòu)得到極大的增強(qiáng)�；�于微腔增強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)，開(kāi)展少光子、甚至單光子級(jí)的物理和應(yīng)用研究。此前，于2020年提出了利用光子二階非線性實(shí)現(xiàn)確定性、高保真度光子-光子量子相位門(mén)[Phys. Rev. Applied, 13, 044013 (2020)編輯推薦]，有望在室溫下實(shí)現(xiàn)不需要原子、超導(dǎo)比特等元件的可擴(kuò)展量子信息處理。

最近，國(guó)際上集成非線性光子學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，以鈮酸鋰、磷化銦鎵等材料為代表的平臺(tái)已經(jīng)將光學(xué)模式的單光子非簡(jiǎn)諧度提升到了1%量級(jí)，提供了一種在室溫下實(shí)現(xiàn)弱光量子效應(yīng)的新途徑。例如，通過(guò)多個(gè)微腔耦合構(gòu)建多模量子干涉，或者以脈沖激光驅(qū)動(dòng)單個(gè)微腔，可以實(shí)現(xiàn)單光子的阻塞效應(yīng)，從而利用集成光子器件從相干激光中過(guò)濾出單個(gè)光子。但是，這些研究方案所需結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基于現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件很難實(shí)現(xiàn)。此外，單模腔中動(dòng)力學(xué)阻塞(dynamical blockade)的效果較差且物理機(jī)制尚不清楚。

圖1.單模非線性光學(xué)腔中的光子阻塞

針對(duì)以上難題，研究組引入光子的頻率自由度，提出在單個(gè)光學(xué)模式中利用兩束連續(xù)激光控制其動(dòng)力學(xué)演化。通過(guò)利用非線性腔對(duì)不同頻率驅(qū)動(dòng)的非均勻相應(yīng)，在特定時(shí)間精準(zhǔn)調(diào)控不同光子數(shù)態(tài)的布居數(shù)分布，高保真度地產(chǎn)生亞泊松量子統(tǒng)計(jì)光場(chǎng)�；�于已報(bào)道的集成鈮酸鋰芯片的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，研究者證明了該方案的實(shí)驗(yàn)可行性。審稿人一致認(rèn)為，該研究引入了全新的物理機(jī)制(“the authors have introduced genuinely new physics”)，揭示了動(dòng)力學(xué)光子阻塞的物理本質(zhì)；在已報(bào)道的相關(guān)研究中是最簡(jiǎn)單的且消耗了最少的資源(“it can generate antibunched light with high fidelity and minimal requirements”)。

中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員李明博士和張延磊博士為論文共同第一作者，鄒長(zhǎng)鈴教授為通信作者。本研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和安徽省的支持。

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