导读
近日，浙江大学光电学院戴道锌教授课题组和中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室任希锋教授课题组合作，在硅基片上多光子源研究方面取得重要进展。他们利用硅纳米光波导中非线性自发四波混频效应，制备出性能优越的硅基片上双光子偏振纠缠量子光源，并在此基础上利用复用技术首次实现了硅基片上四光子源。该硅基片上多光子源具有CMOS工艺兼容性，且可稳定产生高亮度、可调谐、易于扩展的多光子量子态，作为一个基本单元器件可与目前光纤量子通信系统衔接，为日后量子光学技术在通信、计算和精密测量等领域的应用打下重要基础。
多光子源是量子通信、量子计算、量子模拟和量子精密测量等领域的关键需求。为制备多光子源，通常采用双光子源复用及后选择处理的方法。然而，其制备效率随光子数增长呈指数下降。因此，制备多光子源的重要前提是实现高亮度、高保真度的双光子量子光源。尽管基于非线性体材料的量子光源研究已非常成熟，但仍亟需发展适用于集成量子光学的片上量子光源，以降低成本及能耗，并提高集成度、稳定性和扩展性。强限制光波导、高品质因子光学微腔由于光场增强都具有很强的非线性光学相互作用，为实现片上双光子源甚至多光子源提供了有效平台。最近，已有利用玻璃微环腔实现time-bin编码片上多光子源的报道。在本项工作中，作者基于硅纳米光波导，通过精细调控光场模式及色散性能，显著增强了其非线性相互作用，从而实现了性能优越的片上多光子源。
实验装置：主要包括泵浦激光调制、多光子源产生和量子态分析三部分功能。
双光子量子态的表征：a和b分别是当信号光在起偏器角度为0°（红色曲线）和45°（黑色曲线）时干涉情况的符合计数。c和d分别给出了双光子源量子态层析的理想状态和实际测试结果，其保真度高达0.95±0.01。
四光子量子态的表征：a和b分别记录了当信号光在起偏器角度为0°（红色曲线）和45°（黑色曲线）时干涉情况的符合计数。c和d分别给出了四光子源量子态层析的理想状态和实际测试结果，其保真度为0.78±0.02（优于此前报道的玻璃微腔四光子量子态保真度~0.64）。
文章链接
《Light: Science & Applications》：Ming Zhang†, Lan-Tian Feng†, Zhi-Yuan Zhou, Yang Chen, Hao Wu, Ming Li, Shi-Ming Gao, Guo-Ping Guo, Guang-Can Guo, Dao-Xin Dai*, and Xi-Feng Ren*, "Generation of multi-photon quantum states on silicon," Light: Science & Applications, 8: 41, 2019.
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