中國科大揭示集成光量子器件中單光子阻塞新原理

  ICC訊  我校郭光燦院士團(tuán)隊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)隊鄒長鈴研究組提出了在單個光學(xué)模式中利用極弱的光學(xué)非線性實現(xiàn)光子阻塞的新原理和新方案，并分析了其在集成光學(xué)芯片上實現(xiàn)的實驗可行性。相關(guān)成果以“Single-Mode Photon Blockade Enhanced by Bi-Tone Drive”為題于7月18日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

  單光子之間的非線性相互作用是在室溫下實現(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)中直接觀測到單光子級的光子相互作用極為困難，因此傳統(tǒng)的單光子產(chǎn)生方法主要依賴于概率性的參量下轉(zhuǎn)換并需要較高的泵浦光功率。

  鄒長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)能夠通過微納光學(xué)結(jié)構(gòu)得到極大的增強(qiáng)。基于微腔增強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)，開展少光子、甚至單光子級的物理和應(yīng)用研究。此前，于2020年提出了利用光子二階非線性實現(xiàn)確定性、高保真度光子-光子量子相位門[Phys. Rev. Applied, 13, 044013 (2020)編輯推薦]，有望在室溫下實現(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，國際上集成非線性光子學(xué)的實驗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已經(jīng)將光學(xué)模式的單光子非簡諧度提升到了1%量級，提供了一種在室溫下實現(xiàn)弱光量子效應(yīng)的新途徑。例如，通過多個微腔耦合構(gòu)建多模量子干涉，或者以脈沖激光驅(qū)動單個微腔，可以實現(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濾出單個光子。但是，這些研究方案所需結(jié)構(gòu)復(fù)雜，基于現(xiàn)有實驗條件很難實現(xiàn)。此外，單模腔中動力學(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

  針對以上難題，研究組引入光子的頻率自由度，提出在單個光學(xué)模式中利用兩束連續(xù)激光控制其動力學(xué)演化。通過利用非線性腔對不同頻率驅(qū)動的非均勻相應(yīng)，在特定時間精準(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)計光場。基于已報道的集成鈮酸鋰芯片的實驗參數(shù)，研究者證明了該方案的實驗可行性。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”)，揭示了動力學(xué)光子阻塞的物理本質(zhì);在已報道的相關(guān)研究中是最簡單的且消耗了最少的資源(“it can generate antibunched light with high fidelity and minimal requirements”)。

  中國科學(xué)院量子信息重點實驗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，鄒長鈴教授為通信作者。本研究得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和安徽省的支持。

  文章鏈接：

  https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.043601

  (中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)