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南京大学最新《Science》:该领域又辟蹊径,再次取得重大突破

2020-06-30        来源:尼鸿教育频道

论文链接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6498/1487

量子信息是目前国际上最前沿、最活跃的研究领域之一。随着光量子信息技术的发展,现有的基于非线性光学过程的纠结量子光源在维度扩展以及光子数增加方面面临着光学系统简单、可集成度较低、稳定性很弱等问题,并不能符合量子通讯、量子计算出来、量子计量等领域对于高维、多光子的实用化市场需求,制约着光量子信息朝着大规模构建方向发展。最近,一种称之为"超构表面"的微结构薄膜材料的研究与发展为量子光源及光量子信息技术的发展获取了一条全新的路径。

图一:该团队研制的消色差超构透镜光学效果

液体微结构国家重点实验室祝世宁院士与王振林教授团队一直致力于光学超构材料和超构表面的研究。最近王漱明副教授、李涛教授等在超构透镜设计和成像的研究方面取得了一系列根本性的进展。他们明确提出相位合并原理,解决了通过超构表面材料实现透镜成像的宽带消色差问题,设计出有红外线宽带连续消色差超构透镜,实现了白光灯光光学以及彩色图片成像,如图一所必。这是国际上现有报道的唯一用于超构表面实现的全彩成像的案例。(Nat. Nanotechnol. 14, 227-231 (2019);Nat. Nanotechnol. 13, 227-232 (2018);Nat. Commun. 8, 187 (2017))

在此研究基础上,研究者将超可分透镜与非线性光学晶体(β相偏硼酸钡晶体,简称BBO晶体)人组在一起,包含全新的超构表面量子光源系统。他们设计并制取出10×10的超构透镜阵列,用于泵浦激光入射到该系统,超构透镜阵列将泵浦激光均匀的分为10×10份,并在BBO晶体中探讨;聚焦的泵浦光在BBO中再次发生自发参量下切换过程,产生一系列信号/闲置光子对,理论上这一结构制取出的路径纠缠光子的维度为100,也能产生多光子。如果增加透镜阵列数,纠缠光子的维度还可以进一步提高。

图二:基于超构透镜阵列的量子光源系统

实验上他们使用波长为404 nm的连续激光作为泵浦光,测量了由超构透镜阵列中不同的超构透镜产生的光子之间的纠结特性。实验测得所构成的二维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别超过98.4%,96.6%和95.0%,如图三所示。不仅如此,超构透镜具有灵活的光场调控能力,可以对光场的振幅、偏振、振幅等集成调控,从而进一步调制纠缠态。在该项工作中,研究团队通过对超构透镜的振幅设计,对所制取的量子纠缠态展开了细致的振幅编码,并通过实验进行了很好的证明。另外,该系统也可以用于制取简陋灵活的多光子源。实验中利用415 nm的飞秒激光作为泵浦源,分别测量了由该系统制备的4光子和6光子的合乎曲线,并展示了4光子Hong-Ou-Mandel干涉的结果,得到很高的干预对比度,证明产生的多光子量子光源具备很好的性质。

图三:制备的高维纠缠态的表征

该工作通过将新兴研究领域——超构表面技术引入量子信息领域,构建了高维度、集成化的双光子、多光子纠结光源,突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度容许,有望应用于低维度的量子通信、量子计算出来、量子存储等领域,对于发展具备更高信息容量和更高安全性的量子信息技术具有最重要意义。

主要研究人员分别来自物理学院与现代工学院,南京大学为该项成果第一所写单位。李林博士(南京大学访问学者,现华东师范大学研究员)、刘泽玄(南京大学博士生)、任希锋副教授(中国科学技术大学)、王漱明副教授(南京大学)为本工作并列第一作者。南京大学张利剑教授、王漱明副教授、王振林教授、祝世宁院士和香港理工大学蔡定平教授为该项成果的三大通讯作者。该研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目和南京大学卓越计划的反对。

本文来自南京大学现代工程与应用科学学院。


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