南京大学：可扩展的大尺寸量子态生成预示着实用的量子光学
发布时间：2023-02-21 08:00:00 阅读数： 34
在所有的量子系统中，光子以其弱相互作用而闻名，即使在室温下也能实现较长的相干时间，使其适合在遥远的地点之间传输量子比特。然而，光子的弱相互作用限制了被称为多光子量子态，或 "N-光子态 "的量子态的产生。产生N-光子态仍然是量子光学领域的一个基本挑战。
作为回应，南京大学的研究人员提出了一种方案，可以确定性地生成多光子量子比特态，从而以100%的效率发生光子数量翻倍，而光子的数量是无限的。该方案在实验上是可行的，考虑到了实际的材料能力，使用了锂-铌-绝缘体（LNOI）平台，它提供了一个超强的X（2）非线性相互作用。
LNOI电路中确定性N-光子状态生成的片上方案。由Liu, Shang等人提供, doi: 10.1117/1.APN.2.1.016003.
这一进展的关键部件是光子数量加倍单元（PDU），它可以在保持光谱不变的情况下将光子数量加倍。在PDU中，最具挑战性的部分是从单光子到双光子的确定性转换。它以前就被提出并进行过理论研究，但只是在理想的X(2)或X(3)材料假设下。
基于实际的材料参数，研究人员提出了他们所说的第一个实验上可行的PDU过程的方案。研究小组表明，PDU对于为不同的量子技术应用生成N-量子态是通用的，作为例子提出了N-光子福克态、集群态和GHz态的片上设计。
该方案涉及高Q值LNOI微环谐振器中的确定性参数下转换（DPDC）。结合LNOI平台的超高非线性和谐振器的空穴增强效应，DPDC可以用107Q值的微环来实现，这在目前的制造和实验极限之内。
除了DPDC之外，为了实现可扩展性，在PDU中还需要一个确定性的参数上转换（DPUC），用于将光子频率转换回泵浦频率。研究人员表明，这可以在LNOI电路中以mW级的片上功率实现。
研究人员认为，这项工作为将来实际实现大光子数量的状态提供了重要指导。
高级作者、南京大学电子科学与工程学院教授谢振达说："这种基于LNOI的确定性单光子相互作用不仅可以用于光子生成，还可以用于光子操纵，实现量子门、量子存储等，推动量子计算、量子通信和整个量子信息技术的发展"。
该研究发表在Advanced Photonics Nexus（www.doi.org/10.1117/1.APN.2.1.016003）上。
