前沿进展 | 集成光量子芯片，实现多光子非线性干涉过程

“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

中国科学技术大学中科院量子信息实验室郭光灿院士、任希锋教授与德国马克斯普朗克光科学研究所Mario Krenn教授合作，在多光子非线性干涉过程研究中取得了新进展。合作团队在硅基集成光量子芯片上制备两个四光子源，并通过片上波分复用器和相位器实现了四光子产生过程的相干相长和相干相消过程。在该工作中，集成光量子芯片展示出了极高的紧凑性和相位稳定性，国际首次将两光子非线性干涉过程扩展到多光子过程，为新型量子态制备、远程量子计量以及新的非局域多光子干涉效应观测等众多新应用奠定了基础。研究成果以“On-chip quantum interference between the origins of a multi-photon state”为题、于2023年1月13日发表在Optica上。2023 | 前沿进展

02 研究背景

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如果将两个光子对源产生的光子对路径完全重叠，双光子产生过程将发生干涉效应，因此研究人员将无法区分探测到的光子对是从第一个光源、还是第二个光源产生的。此时，光子处于两个源产生光子对的叠加态，调整这两个非线性过程之间的相位，我们就能够控制光子对产生的总量。这种效应称为“受挫量子干涉”，也被称为“量子版本的非线性干涉过程”。

尽管双光子非线性干涉过程已经实现了二十多年，并且在许多新兴量子技术中得到了应用，如制备新型红外光谱仪和太赫兹传感器等，但直到2017年，人们才在理论上将该现象扩展到多光子过程，并且实验上由于极高的相位稳定性和路径重合性需求，一直未有新的进展。

03 研究创新点

针对上述问题，该团队充分利用集成光量子芯片的扩展性和稳定性优势，将多光子量子光源模块、滤波模块和延时模块等结构单一芯片集成，实验上展示了四光子非线性产生过程的相长、相消干涉过程。

双光子非线性干涉结构如图1a所示，两个非线性晶体都能概率性地产生光子对，如果两个非线性晶体产生的光子对是全同的，当研究人员在A、B两处分别同时探测到一个光子时，便没有办法分辨这对光子是从哪个晶体中产生的，探测到光子对的几率随着相位Ф变化而变化。

图1 路径重叠引起的不同光源产生位置的量子干涉(a) 双光子干涉示意图 (b) 四光子干涉示意图

四光子非线性干涉结构如图1b所示，通过调节相位θ，研究人员便能够观测到四光子产生过程的相长、相消干涉过程。同双光子实验装置相比，四光子干涉装置规模更大，并且需要更高的相位稳定性。他们利用硅基集成光子芯片来解决这一难题，通过同时将多光子量子光源、滤波器和相位器等结构集成在同一芯片上，实验展示了多光子非线性干涉过程，具体实验结构如图2所示。

图2 实验装置图

通过调节片上干涉相位，该团队观测到了四光子符合的相长、相消干涉过程，实验结果如图3所示，四光子干涉可见度为0.78。而双光子符合并未观测到随相位的明显变化，这同理论预期一致。整个实验在一个尺寸3.8 mm×0.8 mm仅为的硅基集成光量子芯片上完成，如图4所示。

图3 量子干涉测量结果

图4 用于实现四光子非线性量子干涉的集成光量子芯片

04 总结与展望

该工作展示的四光子干涉过程可进一步应用在非局域研究中，此时，不仅两个四光子源能够分离开很远的距离，组成四光子源的两个双光子源也可以分离开很远的距离。这种远距离分离将促进许多令人兴奋的基础实验研究，例如研究更多时间延迟的干涉效应。

此外，该工作也推动了量子技术的进展，基于该工作，更多光子的非线性干涉过程能够被构建出来。实验演示的光子对的相干产生和重叠，也将构成特殊量子计算和光量子态生成等方案的基础。集成光子技术的可扩展性优势使得成百上千个元件可以同时集成在芯片上，这也将极大地促进新的量子光学实验和量子技术的实现。

审稿人对该工作给予高度评价，认为其推动了集成光学量子信息科学与技术研究领域的发展（pushes forward the research field of integrated photonic quantum information science and technology）。

该工作由中国科学技术大学、德国马普所、浙江大学合作完成，中国科学技术大学为第一完成单位。中国科学技术大学任希锋教授和德国马普所Mario Krenn教授为论文通讯作者，中国科学技术大学特任副研究员冯兰天为论文第一作者。浙江大学张明助理研究员和戴道锌教授也为该工作做出了重要贡献。该项工作得到了科技部、基金委、中科院、安徽省以及中国科学技术大学的支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.474750

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编辑 | 方紫璇

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