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《探索 | 集成光量子器件中单光子阻塞新原理揭示》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2022-07-22

  • 中国科大郭光灿院士团队在集成光子芯片量子器件的理论研究中取得重要进展。该团队邹长铃研究组提出了在单个光学模式中利用极弱的光学非线性实现光子阻塞的新原理和新方案，并分析了其在集成光学芯片上实现的实验可行性。相关成果以“Single-Mode Photon Blockade Enhanced by Bi-Tone Drive”为题于7月18日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

    单光子之间的非线性相互作用是在室温下实现可扩展光量子信息处理的核心资源。然而，受限于材料的非线性极化率和光学损耗，在非线性光学系统中直接观测到单光子级的光子相互作用极为困难，因此传统的单光子产生方法主要依赖于概率性的参量下转换并需要较高的泵浦光功率。

    邹长铃课题组近年致力于集成光子芯片量子器件研究。在集成芯片上，非线性光学效应能够通过微纳光学结构得到极大的增强。基于微腔增强的非线性光学效应，开展少光子、甚至单光子级的物理和应用研究。此前，于2020年提出了利用光子二阶非线性实现确定性、高保真度光子-光子量子相位门[Phys. Rev. Applied, 13, 044013 (2020)编辑推荐]，有望在室温下实现不需要原子、超导比特等元件的可扩展量子信息处理。

    最近，国际上集成非线性光子学的实验研究取得了突飞猛进的发展，以铌酸锂、磷化铟镓等材料为代表的平台已经将光学模式的单光子非简谐度提升到了1%量级，提供了一种在室温下实现弱光量子效应的新途径。例如，通过多个微腔耦合构建多模量子干涉，或者以脉冲激光驱动单个微腔，可以实现单光子的阻塞效应，从而利用集成光子器件从相干激光中过滤出单个光子。但是，这些研究方案所需结构复杂，基于现有实验条件很难实现。此外，单模腔中动力学阻塞(dynamical blockade)的效果较差且物理机制尚不清楚。

    图1.单模非线性光学腔中的光子阻塞

    针对以上难题，研究组引入光子的频率自由度，提出在单个光学模式中利用两束连续激光控制其动力学演化。通过利用非线性腔对不同频率驱动的非均匀相应，在特定时间精准调控不同光子数态的布居数分布，高保真度地产生亚泊松量子统计光场。基于已报道的集成铌酸锂芯片的实验参数，研究者证明了该方案的实验可行性。

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    • 编译者：husisi
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    • 已实现的量子鬼成像装置的示意图。(a)纠缠双光子是通过NLC的自发参量下转换 (SPDC) 产生的。纠缠的光子在空间上是被分离开的，每个光子都被成像到一个SLM 上，所需的全息图显示在每个SLM上。在两条路径之间进行符合测量，符合测量的结果用于重建物体的图像。对于每个物体，需要进行两次符合测量，如(b)图中的数值模拟。然后将这两个图像结合起来，这样就可以揭示总相位。(c) 显示了实验中使用的仅有数字相位的物体，而(d)中重建的模拟图像显示了数字物体的预期表现 当要形成一个物体的图像时，例如手机拍摄的照片，手机中的探测器需要捕获与物体相互作用时透过或反射的光线。大约25年前，科学家们设计了另一种不太直接的方法来做这件事情。在传统的形式中，通过结合一个捕获与物体相互作用的光和一个根本没有与物体相互作用的光的信息，从而利用两个探测器收集的信号。然而，正是那些从未与物体相互作用的光被用来获取图像，因此该技术被称为“鬼成像”。 当使用纠缠光时，可以利用量子特性在非常低的光照度下进行成像，这在观察生物成像中的光敏样品时是一个很大的优势，因为过多的光剂量会损坏或改变样品，从而破坏人们希望看到的东西，这在该领域是一个相当大的难题。使用直接或间接成像形成的图像是让多少光通过的结果，因此是物体透明度的结果。然而，物体可以与光发生另一种类型的相互作用，这可以揭示一些重要信息并显示丰富的特征。 这就是通过的光的加速或减速，表现为相位。这意味着你可以看到正在成像的物体的更多特征和属性，例如厚度变化（提供一个三维信息）或者如果里面有不同的透明材料，其折射率变化足够大，它改变了光的相位。而且由于这是来自于所有通过的光线，你将无法以传统的方式来检测它，往往需要复杂的策略才能做到这一点。南非威特沃特斯兰德大学（金山大学）结构光学实验室的研究人员最近开发了一种方法，通过利用传统量子鬼成像中的“副作用”，以一种非常简单的方式实现这一目标，该研究成果已经发表在《Optica》杂志上。 金山大学的实验室负责人 Andrew Forbes教授说：“我们可以看到相位，这是物体的一个隐藏特征，通常是很难揭示的，但是如果可以显示的话，它有非常广的应用前景。例如，LIGO 就是这样检测引力波的。现在我们可以很容易地显示物体的隐藏相位，让人们了解生命系统的内部结构，带来三维（厚度）而不仅仅是常规物体的二维信息，并为量子计量学开辟新的方法——量子版的LIGO，等等”。要从这里的非交互光中检测“鬼”图像，研究人员可以选择两种方法。一种是使用电荷耦合器件 (CCD)，就像你手机中的那样，但要高度“强化”以便将最小形式的光视为光子。然而，同样这也使得价格变得非常高昂。 另一种选择可以是一个简单的“单像素”探测器，它只能看到收集了多少光而不能提供任何空间信息。在这里，让光在选定位置通过的掩膜现在可以被放置和更改在这个探测器前面，以揭示空间信息，并允许人们通过将所有这些信息加在一起来重建图像。这使得被检测光的波长和效率方面有了更多的通用性，同时价格也低得多。事实上，这是在开发更灵敏的相机之前使用的方法，也是该团队用来探测相位信息的方法。 Forbes说："进一步和LIGO做类比，你可能会认为，要看到相位是非常复杂和昂贵的。事实上，这也是量子世界的情况，现有的方法使用高分辨的相机和复杂的光学系统，这些都是笨重和昂贵的。我们的方法使我们只用一个像素探测器就能看到所有这些东西，这使得用一个基本上没有分辨率的探测器就可以实现出色的分辨率。我们通过一个以前没有人实现的数字化技巧来实现这一目标。这种隐藏的相位信息一直存在，但你必须知道在哪里寻找它。" 他们通过实现某些你构造的掩模对相位天然敏感，并且可以智能地设计，以揭示完整详细的相位结构以及通常使用该技术的常规信息。这样一来，在用量子光源进行单像素成像时，样品的成像方式就多了一层用处，使人们有可能看到三维信息，可以揭示物体的厚度或厚度，甚至是透明的物体。 论文的第一作者Bereneice Sephton说："我们发现信息一直隐藏在方法中，只要稍加调整就能让你看到非常丰富和有趣的特征，我们希望这可以用于对敏感的生物样本进行成像，以看到它们的特征和属性，但是如果没有这种方法，就需要更复杂或昂贵的手段。"这个项目是与结构光学实验室的同事Isaac Nape、Chane Moodley和Jason Francis博士一起开展的。
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  • 《探索 | 单光子源为实际应用中的量子加密铺平了道路》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2022-03-25
    • 华盛顿——研究人员已经开发出一种新的高纯度单光子光源，可以在室温下工作。该光源是使量子技术迈向实际应用的重要一步，如基于量子密钥分发(QKD)的高安全性通信。 来自澳大利亚悉尼科技大学的研究团队成员Helen Zeng说:“我们开发了一种按需生成高纯度光子的方法，这种方法可以在可伸缩的、可携带的系统中，在室温下工作。”“我们的单光子光源可以推进实际QKD系统的发展，并可以集成到现实世界的各种光量子应用中。” 在期刊《Optics Letters》上，Zeng和来自澳大利亚新南威尔士大学和麦考瑞大学的同事描述了他们的新型单光子源，并表明它在室温下每秒可以产生超过1000万个光子。他们还将单光子源整合到一个可以执行QKD的完全便携设备中。 这种新型单光子光源独特之处在于，将一种叫做六方氮化硼的二维材料和一种叫做半球形固体浸没透镜的光学元件结合在一起，从而将光源的效率提高了6倍。 图1:一种可以在室温下工作的新型高纯度单光子源，为实现量子技术的实际应用迈出重要一步，例如基于量子密钥分配的高安全性通信 室温下的单光子源 QKD利用光的量子特性生成安全随机密钥对数据进行加密和解密，为数据通信提供了不可穿透的加密。QKD系统需要鲁棒性强而明亮的光源，以单光子串的形式发出光。然而，今天的大多数单光子光源都不能很好地工作，除非在零下几百度的低温下工作，这限制了它们的实用性。 尽管六方氮化硼以前曾被用于制造室温下工作的单光子源，但直到现在，研究人员还未能达到实际应用所需的效率。“大多数用于改善六方氮化硼单光子源的方法都依赖于精确定位发射器或使用纳米制造，”Zeng说。“这使得设备变得复杂，难以规模化，也不容易大规模生产。” Zeng和他的同事们着手创造一个更好的解决方案，他们使用一个固体浸没透镜来聚焦来自单光子发射器的光子，这样就可以检测到更多的光子。这些透镜在市场上可以买到，而且很容易制造。 研究人员将他们的新型单光子光源与一个定制的便携式共聚焦显微镜相结合，该显微镜可以在室温下测量单光子，实现了一个可以执行QKD的系统。单光子光源和共聚焦显微镜被封装在一个坚固的封装外壳中，该封装只有500 × 500毫米，重约10公斤。该封装还可以处理振动和杂散光。 Zeng说:“我们的流线型设备使用起来更容易，而且比传统的光学仪器要小得多，而传统的光学仪器往往要占用整个实验室的空间。”这使得该系统可以用于一系列量子计算方案。它还可以适应于现有的电信基础设施。” 图2:单光子光源和共聚焦显微镜被封装在一个坚固的外壳封装中，直径只有500 × 500毫米，重约10公斤 量子密码通信实验 对这种新型单光子源的测试表明，它可以实现107Hz的单光子采集率，同时保持良好的纯度——这意味着每个脉冲包含多个光子的概率很低。它还显示了在多个小时的连续运行中的稳定性。研究人员还演示了该系统在现实条件下执行QKD的能力，证明20 MHz重复率的安全QKD在数公里范围内是可行的。 现在，研究人员已经证明他们的便携式设备可以执行复杂的量子加密，他们未来将对其在加密过程中的鲁棒性、稳定性和效率进行进一步测试。他们还计划在现实生活中使用新型光源来执行QKD，而不是在实验室中。“我们现在已经准备好将这些量子二维材料方面的科学进展转化为技术成熟的商业产品，”该项目的负责人Igor Aharonovich说。
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