南京大學最新Science：基于超透鏡陣列的高維多光子量子源

木文韜 3年前 (2020-06-26) 15722瀏覽

【引言】

量子光學系統具有光子速度快、相干時間長、可控性強和信息容量大等優點，是量子信息處理研究中最具吸引力的物理系統之一。它們廣泛應用于量子通信、量子計算與仿真、量子計量與傳感等領域。隨著量子技術的發展，對糾纏維數和光子數的要求越來越高，對大規模、可控、穩定的量子光子源提出了更高的要求。例如，量子通信和成像需要具有高維糾纏的光子，這可以通過使用不同自由度的光子來實現，包括軌道角動量（OAM）、時間糾纏、能量-時間、頻率模式和光路。但這些方法都不能滿足實際應用中高保真、大維數的要求。光子量子計算和計量依賴于多光子態，多光子態可以由非線性材料中的自發參量過程或通過時間復用量子點的自發發射來合成多個單光子源，但最大光子數限制在20個以內。雖然量子點在產生單光子方面表現出了優異的性能，但自發參量過程仍然是產生高維和多光子糾纏態的主要方法。基于此過程的集成光子系統的最新進展為大規模量子光源的研制提供了理想的平臺。超穎表面由超薄界面中的電介質或金屬亞波長天線的密集排列組成。通過控制光場的相位分布，被廣泛地用于操縱光場的波前。超穎表面也已經在非經典區域中得到了應用。但是，基于超穎表面的量子光子源還沒有被證明。

【成果簡介】

今日，在南京大學王漱明教授、張利劍教授、王振林教授、祝世寧院士和香港理工大學蔡定平教授（共同通訊作者）團隊等人帶領下，與中國科學技術大學、臺灣國立聯合大學、國立臺灣大學合作，通過將單超透鏡陣列與非線性晶體集成，在10×10陣列中演示了100個路徑自發參量下轉換光子對源，顯示了高維糾纏和多光子態產生的前景。同時演示了兩維、三維和四維超透鏡編碼的不同相的雙光子路徑糾纏，其精確度分別為98.4%、96.6%和95.0%。此外，觀察到四光子和六光子的產生，不同超透鏡產生的光子具有很高的不可分辨性。基于超透鏡陣列量子光子源結構緊湊、穩定、可控，為集成量子器件提供了一個新的平臺。相關成果以題為“Metalens-array–based high-dimensional and multiphoton quantum source”發表在了Science。

【圖文導讀】

圖1?量子超透鏡陣列的示意圖和表征