作為核心器件的量子光源其性能直接決定了整個(gè)量子系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和實(shí)用性。常用的基于非線性自發(fā)參量過程制備量子光源的方案一般采用具有高相干性的激光作為泵浦源，這導(dǎo)致光源品質(zhì)對(duì)激光性能的依賴，增加了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。另一方面，窄線寬的相干激光會(huì)誘導(dǎo)不必要的頻譜關(guān)聯(lián)，限制了生成量子態(tài)的頻譜純度。
在本工作中，課題組創(chuàng)新性地提出并驗(yàn)證了使用寬帶的放大自發(fā)輻射光源(ASE)作為泵浦源的量子光源制備方案，在硅波導(dǎo)內(nèi)通過自發(fā)四波混頻過程實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)量子光源的制備。理論分析和數(shù)值模擬均表明，泵浦光的時(shí)域非相干性不僅不會(huì)降低量子態(tài)的質(zhì)量，反而帶來了諸多好處：首先，非相干光可以被視為大量獨(dú)立單色光源的相位無關(guān)線性組合，這種特性打破了非線性相互作用的簡(jiǎn)并性，導(dǎo)致光子對(duì)產(chǎn)生速率的提升；其次，非相干光天然的頻譜非關(guān)聯(lián)特性可以被“傳遞”給生成的光子對(duì)，提高了量子態(tài)的頻譜純度。
圖1 .(左)聯(lián)合譜振幅和純度的理論模擬和(右)偏振糾纏源的參數(shù)表征
實(shí)驗(yàn)結(jié)果則有力地證實(shí)了理論預(yù)測(cè)。與相干激光泵浦相比，采用非相干光泵浦方案的光子對(duì)產(chǎn)生速率提升了40%；同時(shí)，在衡量量子光源關(guān)聯(lián)特性的關(guān)鍵指標(biāo)——符合計(jì)數(shù)與偶然符合比和二階自相關(guān)函數(shù)上，非相干光泵浦的方案也展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，尤其是在低功率下，能夠有效抑制背景噪聲的干擾，獲得更純凈的單光子源。更重要的是，研究團(tuán)隊(duì)還利用這種方法制備出了高質(zhì)量的偏振糾纏量子態(tài)，糾纏態(tài)的保真度高達(dá)95.7% ± 0.1%，并且Bell不等式的測(cè)量值達(dá)到了S = 2.64 ± 0.02。此外，非相干光的低時(shí)間相干性還消除了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中由光纖端面反射等因素引入的干涉效應(yīng)，進(jìn)一步增強(qiáng)了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
圖2. 實(shí)驗(yàn)裝置圖
這項(xiàng)工作更新了人們對(duì)量子態(tài)制備中泵浦光相干性的傳統(tǒng)認(rèn)知，揭示了光學(xué)非相干性與量子特性之間的深刻聯(lián)系。它不僅為量子光源的設(shè)計(jì)提供了新思路，也極大地放寬了對(duì)泵浦源的技術(shù)要求，證明了通常被視為光學(xué)噪聲的ASE光源也可以被有效用于量子態(tài)的生成。未來這項(xiàng)技術(shù)有望應(yīng)用于更多依賴自發(fā)四波混頻效應(yīng)的物理體系以及其它光與物質(zhì)相互作用的過程，并推動(dòng)單片集成量子光子學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的量子信息處理和量子網(wǎng)絡(luò)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生宋悅瑋、重慶聯(lián)合微電子中心在讀工程博士生趙恒和已畢業(yè)的博士生陳立為共同第一作者，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授史保森、副教授周志遠(yuǎn)為論文的共同通信作者。這項(xiàng)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、科技部和中國(guó)科大“雙一流”建設(shè)經(jīng)費(fèi)的支持。
