中国科大首次实现多体非线性量子干涉

中国科大首次实现多体非线性量子干涉

我校郭光灿院士团队在多体非线性量子干涉研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组与德国马克斯普朗克光科学研究所MarioKrenn教授合作，基于光量子集成芯片，国际首次展示了四光子非线性产生过程的干涉，相关成果于1月13日发表在光学权威学术期刊Optica上。

量子干涉是众多量子应用的基础，特别是近年来基于路径不可区分性产生的非线性干涉过程越来越引起人们的关注。尽管双光子非线性干涉过程已经实现了二十多年，并且在许多新兴量子技术中得到了应用，直到2017年人们才在理论上将该现象扩展到多光子过程，但实验上由于需要极高的相位稳定性和路径重合性需求，一直未获得新的进展。光量子集成芯片，以其极高的相位稳定性和可重构性逐渐发展成为展示新型量子应用、开发新型量子器件的理想平台，也为多光子非线性干涉研究提供了实现的可能性。任希锋研究组长期致力于硅基光量子集成芯片开发及相关应用研究并取得系列重要进展：（1）国际上首次基于硅基光子集成芯片实现了四光子源的制备（Light Sci Appl 8, 41, 2019）；（2）首次实现频率兼并四光子纠缠源制备（npj Quantum Inf 5, 90, 2019）；（3）首次实现波导模式编码的量子逻辑门操作（Phys. Rev. Lett. 128, 060501,2022）和超紧凑量子逻辑门操作（Phys. Rev. Lett., 126, 130501,2021）等。在这些工作基础上，研究组同MarioKrenn教授合作，通过进一步将多光子量子光源模块、滤波模块和延时模块等结构进一步片上级联，在国际上首次展示了四光子非线性产生过程的相干相长、相消过程。实验结果如图1(a)所示，四光子干涉可见度为0.78。而双光子符合并未观测到随相位的明显变化，这同理论预期一致。整个实验在一个尺寸仅为3.8×0.8mm2的硅基集成光子芯片上完成，如图1(b)所示。

(a)

(b)

图1. (a)量子干涉测量结果；(b)用于实现四光子非线性量子干涉的集成光量子芯片。

该成果成功地将两光子非线性干涉过程扩展到多光子过程，为新型量子态制备、远程量子计量以及新的非局域多光子干涉效应观测等众多新应用奠定了基础。审稿人一致认为这是一个重要的研究工作，并给出了高度评价：“The chip is well-designed and contains various integrated optical components such as entangled photon source, an interferometer, frequency filter/combiner （该芯片设计精良，包含多种集成光学元件，如纠缠光子源、干涉仪、频率滤波器/组合器）”、“This work pushes forward the research field of integrated photonic quantum information science and technology（这项工作推动了集成光子量子信息科学与技术研究领域的发展）”。

中科院量子信息重点实验室任希锋教授、德国马克斯普朗克光科学研究所MarioKrenn教授为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室特任副研究员冯兰天为论文第一作者。此外，浙江大学戴道锌教授和张明助理研究员为该工作提供了技术支持。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

附论文链接：

[backcolor=transparent !important]https://opg.optica.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-10-1-105&id=525159

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Optica Vol. 10, Issue 1, pp. 105-109 (2023)

On-chip quantum interference between the origins of a multi-photon state

Lan-Tian Feng, Ming Zhang, Di Liu, Yu-Jie Cheng, Guo-Ping Guo, Dao-Xin Dai, Guang-Can Guo, Mario Krenn, and Xi-Feng Ren

DOI: 10.1364/OPTICA.474750

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、物理学院、科研部）

这项工作推动了集成光子量子信息科学与技术研究领域的发展