皮秒级量子信息处理！科学家将单光子探测器的探测速度提升70倍
光由一种量子粒子——光子（photon）组成。光子长期以来一直用以传输和处理信息，也将在未来一代量子设备的信息处理中发挥重要作用。因此，在超快时间尺度上控制光的量子态的光谱时间特性的技术对于量子信息科学中的众多应用都很重要。
最近，哥伦比亚大学的一个工程师团队展示了使用一种叫做时间透镜（time lens）的设备处理皮秒级（一万亿分之一秒）单光子波形的新途径。激光是许多光子以特定频率在空间中振荡的聚焦光束。通过时间透镜，他们以皮秒分辨率从更大的光束中识别出单个光子，比其他单光子探测器的探测速度快了约70倍。
相关研究成果以《用于时间模式量子处理的皮秒分辨率单光子时间透镜》为题[1]发表在著名光学杂志《Optica》上。
哥伦比亚大学的工程师建造了一个时间透镜来识别单个光子。比其他单光子探测器的探测速度快了约70倍。
“就像普通放大镜可以放大一些本来无法看到的空间现象，时间透镜可以让科学家在时间尺度上解析细节，”这项工作的第一作者、实验室前博士生Chaitali Joshi表示，“使用光的时间模式的光子量子信息处理（QIP）技术需要在单光子水平上相干操作和检测皮秒级、亚皮秒级时间波形。量子光波形的光谱时间特性对于应用也是必要的：从基于物质的量子存储器和光子腔中高效存储和检索单光子波、量子网络的时间模式匹配、在超快时间尺度下控制时频纠缠，以及产生高带宽压缩光等应用。”
使用时间透镜系统进行时间模式处理。（a）时间透镜类似于空间透镜，输入信号二次时相，通过在时间透镜之前、之后使用合适的色散，可以在时域中执行放大倍率，压缩或进行傅里叶变换的完整成像系统。（b）时间模式排序示意图。通过优化的时间和频谱相位曲线，可以实现时频域中复杂的广义酉变换。
使用布拉格散射四波混合（BS-FWM）进行时间放大的实验设置。fs脉冲激光器在高非线性光纤（HNLF）中进行光谱加宽，以产生与BS-FWM泵浦暂时同步的输入信号脉冲。使用单色器提取以1285nm（带宽5.5nm）为中心的信号脉冲，通过可调谐的自由空间延迟线，衰减到单光子水平并通过4km的单模光纤发送。为了产生啁啾宽带泵浦，将来自fs激光器的约5%的功率发送到波形整形器来赋予受控的GDD，然后用掺铒光纤放大器（EDFA）放大。与脉冲激光器同步采样10ns触发信号用于通过电光调制器（EOM）调制连续泵浦。泵浦波使用波分复用器（WDM）与啁啾输入信号结合，并发送到BS-FWM的色散移移光纤（DSF）。泵抑制后，使用色散补偿模块（DCM）来赋予大GDD（Φ𝑀）以放大输出脉冲。使用超导纳米线探测器（SNSPD）检测放大的脉冲。FPGA，现场可编程门阵列。
通过布拉格散射四波混合（BS-FWM）的时间透镜。（a）一台BS-FWM泵浦（𝜔P1）以二次时间相位（线性频率啁啾，ΦP1），其他泵浦场（𝜔P2）。泵和单光子场围绕光纤的零群速度色散（GVD）点对称放置。（b）宽带输入（红色）转换为蓝色显示的窄的输出。对于非线性介质的实测色散参数，该过程的接受带宽超过1THz（5.5nm），对应于皮秒级时间分辨率。（c）测量的BS-FWM的分散分布。
实验装置由两束激光束组成，它们与信号光子“混合”，以产生不同频率的另一束光。通过时间透镜，Joshi和同事能够以皮秒分辨率从更大的光束中识别出单个光子，比其他单光子探测器观测到的快约70倍。Joshi说道[2]：“这样的时间透镜允许以当前光子探测器无法实现的精度短暂地分辨单个光子。”
使用时间透镜系统有几个优点：
1）通过直接利用非线性光学工艺，基于波混沌的时间透镜系统可以支持高达几THz的大带宽。
2）电光调制器（EOM）通常具有几十GHz的有限带宽和几dB的插入损耗。使用色散转移光纤作为非线性介质，可以实现灵活的相位匹配、接受带宽超过1 THz、插入损耗仅为1.3 dB。
3）允许全光学实现，使用两个光泵浦可以实现紧密间隔的频率模式之间的频率转换，从而产生较大的频移。
除了探测单个光子外，团队还可以操纵它们的光谱（即它们的复合颜色），重塑单光子行进的路径。
时态模式排序结果。使用四个级联时间和频率相位操作，对10种正交1D HG模式（左）到时间分离的高斯（右）排序。蓝色曲线分别表示初始（左）和目标（右）模式。红色曲线分别表示从目标模式和初始模式向后（左）和向前传播模式（右）。优化导致所有阶段和所有模式的正向和后向传播模式的重叠率达到93%。右侧的高斯脉冲可以暂时放大，并在单光子探测器（SNSPD）上直接观察，实现高效的分选/解复用。
这是构建量子信息网络的重要一步。“在这样的网络中，所有节点都需要相互通信。当这些节点是光子时，我们可以用时间透镜来实现它们的光谱和时间带宽匹配。基于时间透镜的框架代表了用于单光子任意光谱时态处理的新工具包，有望应用在时间模式量子处理、高维量子密钥分发、量子网络的时间模式匹配以及具有时频纠缠态的量子增强传感中。”Joshi说。
目前，这项工作是用光纤完成的，未来，实验室希望将时间分辨率进一步降低三倍以上，并将继续探索如何控制单个光子。实验室表示，希望有一天能将时间透镜整合到集成光子芯片中，就像电子芯片一样，并持续扩展系统，以同时处理多个光子。
参考链接：
[1]https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-9-4-364&id=470834
[2]https://www.techexplorist.com/processing-photon-picosecond/52157/