基于光量子集成芯片，中國(guó)科大首次實(shí)現(xiàn)多體非線性量子干涉

近期，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在多體非線性量子干涉研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)任希鋒研究組與德國(guó)馬克斯普朗克光科學(xué)研究所MarioKrenn教授合作，基于光量子集成芯片，國(guó)際首次展示了四光子非線性產(chǎn)生過程的干涉，相關(guān)成果于1月13日發(fā)表在光學(xué)權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Optica上。

量子干涉是眾多量子應(yīng)用的基礎(chǔ)，特別是近年來基于路徑不可區(qū)分性產(chǎn)生的非線性干涉過程越來越引起人們的關(guān)注。盡管雙光子非線性干涉過程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了二十多年，并且在許多新興量子技術(shù)中得到了應(yīng)用，直到2017年人們才在理論上將該現(xiàn)象擴(kuò)展到多光子過程，但實(shí)驗(yàn)上由于需要極高的相位穩(wěn)定性和路徑重合性需求，一直未獲得新的進(jìn)展。

光量子集成芯片，以其極高的相位穩(wěn)定性和可重構(gòu)性逐漸發(fā)展成為展示新型量子應(yīng)用、開發(fā)新型量子器件的理想平臺(tái)，也為多光子非線性干涉研究提供了實(shí)現(xiàn)的可能性。任希鋒研究組長(zhǎng)期致力于硅基光量子集成芯片開發(fā)及相關(guān)應(yīng)用研究并取得系列重要進(jìn)展：

（1）國(guó)際上首次基于硅基光子集成芯片實(shí)現(xiàn)了四光子源的制備（Light Sci Appl 8, 41, 2019）；
（2）首次實(shí)現(xiàn)頻率兼并四光子糾纏源制備（npj Quantum Inf 5, 90, 2019）；
（3）首次實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)模式編碼的量子邏輯門操作（Phys. Rev. Lett. 128, 060501,2022）和超緊湊量子邏輯門操作（Phys. Rev. Lett., 126, 130501,2021）等。

在這些工作基礎(chǔ)上，研究組同MarioKrenn教授合作，通過進(jìn)一步將多光子量子光源模塊、濾波模塊和延時(shí)模塊等結(jié)構(gòu)進(jìn)一步片上級(jí)聯(lián)，在國(guó)際上首次展示了四光子非線性產(chǎn)生過程的相干相長(zhǎng)、相消過程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1(a)所示，四光子干涉可見度為0.78。而雙光子符合并未觀測(cè)到隨相位的明顯變化，這同理論預(yù)期一致。整個(gè)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)尺寸僅為3.8×0.8mm2的硅基集成光子芯片上完成，如圖1(b)所示。

(a)

(b)

圖1. (a)量子干涉測(cè)量結(jié)果；(b)用于實(shí)現(xiàn)四光子非線性量子干涉的集成光量子芯片

該成果成功地將兩光子非線性干涉過程擴(kuò)展到多光子過程，為新型量子態(tài)制備、遠(yuǎn)程量子計(jì)量以及新的非局域多光子干涉效應(yīng)觀測(cè)等眾多新應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任希鋒教授、德國(guó)馬克斯普朗克光科學(xué)研究所MarioKrenn教授為論文共同通訊作者，中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特任副研究員馮蘭天為論文第一作者。此外，浙江大學(xué)戴道鋅教授和張明助理研究員為該工作提供了技術(shù)支持。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。