中國科大在集成光子芯片上實(shí)現人工合成非線(xiàn)性效應

  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在集成光子芯片量子器件的研究中取得重要進(jìn)展。該團隊鄒長(cháng)鈴、李明研究組提出人工合成光學(xué)非線(xiàn)性過(guò)程的通用方法，在集成芯片微腔中實(shí)驗觀(guān)測到高效率的合成高階非線(xiàn)性過(guò)程，并展示了其在跨波段量子糾纏光源中的應用潛力。相關(guān)成果以“Synthetic five-wave mixing in an integrated microcavity for visible-telecom entanglement generation”為題于10月20日在線(xiàn)發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。

  自激光問(wèn)世以來(lái)，非線(xiàn)性光學(xué)效應已經(jīng)被廣泛應用于光學(xué)成像、光學(xué)傳感、頻率轉換和精密光譜等領(lǐng)域中。對于新興的量子信息處理來(lái)說(shuō)，它也是實(shí)現量子糾纏光源以及量子邏輯門(mén)操作的核心元素。然而受限于材料非線(xiàn)性極化率隨階數呈指數衰減這一本征屬性，人們對光學(xué)非線(xiàn)性的應用主要局限于二階和三階過(guò)程，多個(gè)光子同時(shí)參與的高階過(guò)程很少被研究。一方面，低階過(guò)程限制了傳統非線(xiàn)性與光量子器件的性能，比如量子光源的可擴展性；另一方面，人們也好奇高階非線(xiàn)性過(guò)程所蘊含的新穎非線(xiàn)性與量子物理現象。

  利用集成光子芯片上的微納光學(xué)結構可以增強光子間的非線(xiàn)性相互作用，這已經(jīng)成為目前國際上集成光學(xué)與非線(xiàn)性光學(xué)方向的研究熱點(diǎn)。鄒長(cháng)鈴研究組李明等人長(cháng)期致力于集成光子芯片量子器件的研究，開(kāi)拓微腔增強的非線(xiàn)性光子學(xué)，提出并證實(shí)了微腔內多種非線(xiàn)性過(guò)程的協(xié)同效應[PRL 126, 133601 (2021); PRA 98, 013854 (2018)]，開(kāi)辟了室溫下少光子、甚至單光子級的量子器件的新途徑[PRL 129, 043601 (2022); PRApplied 13, 044013 (2020)]?，F階段，該研究組已經(jīng)能夠將非線(xiàn)性相互作用強度隨階次的衰減速率從10-10提升到10-5。即使如此，在集成光子芯片上實(shí)驗觀(guān)測到階次大于三的高效率非線(xiàn)性效應依然極具挑戰。

  針對該難題，李明等人另辟蹊徑，提出一種新穎的非線(xiàn)性過(guò)程人工合成理論，即利用材料固有的較強的二階、三階等低階效應，通過(guò)人工調控多個(gè)低階過(guò)程級聯(lián)形成的非線(xiàn)性光學(xué)網(wǎng)絡(luò )來(lái)實(shí)現任意形式、任意階次的光子非線(xiàn)性相互作用。這種方法避免了在原子尺度去修飾材料的非線(xiàn)性響應，而僅需要控制微納器件的幾何結構就可實(shí)現高效率、可重構的高階非線(xiàn)性過(guò)程。

  利用集成的氮化鋁光學(xué)微腔，該團隊在實(shí)驗上同時(shí)操控二階的和頻過(guò)程和三階的四波混頻過(guò)程，合成了更高階的四階非線(xiàn)性過(guò)程。實(shí)驗證明，該人工合成的過(guò)程比材料固有的四階非線(xiàn)性效應強500倍以上。如果進(jìn)一步提升微腔的品質(zhì)因子，該增強倍數可達1000萬(wàn)以上。

  圖1.人工合成非線(xiàn)性五波混頻示意圖

  該團隊將人工合成的四階非線(xiàn)性應用于產(chǎn)生跨可見(jiàn)-通信波段的量子糾纏光源。通過(guò)測量跨波段光子間的時(shí)間-能量糾纏驗證了人工合成過(guò)程的相干性。相比于傳統跨波段量子糾纏光源的產(chǎn)生方法，該工作極大降低了相位匹配的困難，并且僅需要通信波段單一泵浦激光，展現了人工合成非線(xiàn)性過(guò)程的優(yōu)勢和應用潛力。審稿人高度肯定了該工作的創(chuàng )新性（“it should be published in Nature communication for its innovation qualities）。

  中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室博士研究生王家齊、楊元昊為論文的共同第一作者，李明副研究員、鄒長(cháng)鈴教授為論文通訊作者。本研究得到了國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金以及中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費的支持。

  論文鏈接：

  https://www.nature.com/articles/s41467-022-33914-5