单光子产率提升近三倍，电子科技大学提出新型宣布式单光子源方案

光子盒研究院出品

最近，电子科技大学基础与前沿研究院郭光灿院士和周强教授团队与中科院上海微系统所尤立星研究员合作，提出并原理验证了绝缘体上铌酸锂（LNOI）片上频谱多路复用宣布式单光子源（HSPS），首次实现了电信频段下的频谱多路复用宣布式单光子生成。该成果打破了宣布式单光子产率和纯度之间的权衡，为实现片上可扩展和高性能的HSPS铺平了道路。

相关研究成果以《电信频段下的频谱多路复用不可区分的单光子生成》为题[1]发表于Photonics Research期刊2022年第6期。

单光子源是光量子信息技术的基础，理想情况下，它能够以纯净、确定性和不可区分的方式发射单光子，并有多种潜在应用：对光的量子性质的基本研究、安全通信、指数增强计算和高精度测量。为了使单光子的发射更适用于量子技术中的广泛部署，工程上存在两种路径：

• 第一种基于单发射器。能够确定地发射单光子，但制造工艺复杂且难以室温操作；
• 第二种基于自发非线性参数化过程，途径是宣布式单光子源（HSPS）——它基于自发参量下转换（SPDC）或自发四波混频产生的关联光子对，探测这个光子对中的一个光子（即宣布式光子）以表明其孪生光子的存在。HSPS方便实验且发射波长灵活，但也存在不可避免的概率性质；同时，为了实现更高的单光子纯度，HSPS系统必须在低功率水平下运行，这限制了宣布式单光子（HSP）产率和HSPS的实际应用。

HSPS需要在宣布式单光子产率和单光子纯度之间做出权衡。为了打破这种权衡，可以在不同的自由度上应用多路复用技术，进而显著提高HSPS的性能。因此，该团队提出了一种1.5μm芯片级HSPS，通过采用频谱多路复用和有源前馈频谱操纵，在绝缘体上铌酸锂（LNOI）演示了基于分立光纤元件的原理验证实验。

基于LNOI的片上频谱多路复用HSPS原理。（a）基于LNOI的频谱多路复用HSPS，所有基本组件都集成在LNOI光子芯片上，包括：（I）光子对生成模块、（II）滤波和探测模块，以及（III）前馈和频移模块。（b）SHG和SPDC能量守恒图。（c）频域多路复用的说明。光子对生成模块（I）通过级联SHG和SPDC工艺产生宽带相关信号和闲置光子，闲置光子被过滤为不同的光谱模式，并由滤波和探测模块（II）中的SNSPD探测。探测信号被发送到逻辑电路，逻辑电路再将移频信号发送到前馈和频移模块（III），其中信号光子被移入公共频谱模式。LNOI，绝缘体上铌酸锂；PPLN，周期性极化铌酸锂；LN，铌酸锂；EOM，电光相位调制器；SNSPD，超导纳米线单光子探测器；SHG，二次谐波产生；SPDC，自发参量下转换。

频谱多路复用HSPS的实验设置。PPLN，周期性极化铌酸锂；DWDM，密集型波分复用器；EOM，电光相位调制器；TNF，可调谐窄带滤波器；BS，分束器；PC，偏振控制器；TDC，时间-数字转换器；SNSPD，超导纳米线单光子探测器。

随后，该团队分别验证了应用和没有应用频移信号的宣布式信号光子的频谱特性。通过改变带宽为12.5GHz的可调谐窄带滤波器（TNF）的滤波窗口，在频域中选择信号光子；信号光子和宣布式光子之间的符合事件由符合逻辑电路计数。通过连续波激光泵浦和三种频谱模式的多路复用，结果表明，频谱多路复用将宣布式单光子产率提高了近三倍。

三种频谱模式多路复用的实验结果。蓝色菱形是多路复用光源。（a）HSP速率与泵功率的关系。多路复用源的HSP速率在低泵功率下为2.80±0.12，比单个频谱模式的倍数大；（b）在固定HSP速率下，多路复用源的CAR比单个HSPS的性能有所提高；（c）团队选择光谱模式𝑓_s0与其多路复用对应物对比，表明单个光源在理论上比低HSP速率区域的多路复用源增加近3倍。

为进一步表征频谱多路复用HSPS的非经典性质和不可区分性，团队展示了多路复用HSPS与独立弱相干单光子源之间的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉实验。对于普通光子对，单个信号模式/宣布模式不会提供非经典光子数统计，因此，能见度高于50%被用作确定非经典性是否发生在HOM干涉中的标准。

此次实验中，HOM干涉实验通过向两个输入端口发射平衡场强度进行：当两个输入场分别发射到分束器的两个输入端口时，平均光子数相等。多路复用HSPS和弱相干源之间HOM干涉的真正三倍能见度接近66.67%上限，表明多路复用单光子源发射的高度难以区分光子；如果用真正的单光子源代替弱相干源，理论上HOM干涉的能见度预计为91.5%。

实验中能见度的略微下降主要由探测器的噪声、频谱多路复用HSPS中的残存多光子事件引起。

多路复用光源和弱相干光源之间的HOM干涉。红色圆圈是在没有预示程序情况下测量的双重符合；蓝色菱形是在预示程序测量条件下的三重符合。双重和三重符合都由高斯函数拟合，可见性都是蒙特卡罗方法的1000次高斯拟合结果。红色和蓝色条带分别表示两倍和三倍HOM效应的拟合方差。

此次实验中，该团队提出了一种基于LNOI的片上电信频段频谱多路复用HSPS，演示了其原理验证实验并显著提高了性能；同时，多路复用源和弱相干单光子源之间的HOM干涉实验首次显示了非经典性质的证据。

结果表明，大规模集成光子芯片HSPS在实现高性能单光子源方面具有巨大潜力。此外，如果应用更大幅度的频率偏移，这一集成方案也具有可扩展的多路复用前景，对于开发高质量的单光子源意义非凡。

参考链接：

[1]https://opg.optica.org/DirectPDFAccess/F2582531-61A3-4B96-9D2BCAD86D0C28B5_473206/prj-10-6-1417.pdf?da=1&id=473206&seq=0&mobile=no

[2]https://news.uestc.edu.cn/?n=UestcNews.Front.DocumentV2.ArticlePage&Id=85958

[3]https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-10-6-1417&id=473206

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