Advanced Photonics Nexus 2023年第1期文章：
Hua-Ying Liu, Minghao Shang, Xiaoyi Liu, Ying Wei, Minghao Mi, Lijian Zhang, Yan-Xiao Gong, Zhenda Xie, Shining Zhu. Deterministic N-photon state generation using lithium niobate on insulator device[J]. Advanced Photonics Nexus, 2023, 2(1): 016003
制备大规模确定性量子态不仅对量子物理相关的基础研究具有重要意义，也是量子信息技术如量子通信、量子计算等性能和规模提升的关键因素。在众多量子体系中，光子之间的相互作用较弱，因而室温下不容易退相干，这对于量子信息技术的实用化具有重大意义。然而，这种弱相互作用同时制约了大规模光子态的制备，多光子态的确定性产生一直是量子光学研究中的难题。
近日，南京大学固体微结构物理国家重点实验室的谢臻达教授、龚彦晓教授和祝世宁院士团队提出了一种大规模光子态制备的新方案，通过理论计算和模拟证明利用薄膜铌酸锂（LNOI）光子芯片有望实现多光子态的确定性产生。这是首个考虑现实光学材料参数，而非理想材料参数条件下实现确定性多光子态产生的理论方案，因而对于未来最终实现大规模光子态制备具有指导意义。相关成果以“Deterministic N-photon state generation using lithium niobate on insulator device”为题发表在Advanced Photonics Nexus 第2卷第1期上。
图1（a）确定性多光子态产生方案。（b）（c）LNOI光子芯片上的Fock态产生设计
该方案的核心是一种LNOI芯片上的光子倍增模块，它可以实现单光子到双光子的确定性转化，同时保持光子频率不变。通过级联这一模块，就可以实现多光子态的确定性产生（图1）。在此过程中，最难的是实现单光子的确定性“一变二”。此前，在二阶非线性和三阶非线性材料中，研究人员探讨了单光子“一变二”的一些理论方案，但都是基于理想的材料参数假设。该研究中，在考虑现实光学材料参数的前提下，提出了首个有望真正实验实现这一过程的方案设计。
研究人员选择了周期极化的LNOI片上微环谐振腔，将高Q值微腔的强腔增强效应和LNOI芯片的高非线性相结合，为下转换过程提供超高的非线性相互作用强度，从而实现单光子的确定性一变二。根据计算，对于30 μm半径的LNOI微环，仅需4.11×107 Q值就可以实现646.91 nm → 1276.80 nm + 1311.29 nm确定性参量下转换。此前已有实验展示了Q值大于108的微环，所以这一参数要求是完全可实现的。
但是，如果仅通过级联下转换过程制备多光子态，随着级联次数增加，光子波长会不断增长，最终超出材料的透明窗口，也给单光子探测带来巨大挑战。因此，在确定性下转换过程后，还需要单光子确定性上转换过程，使光子恢复至下转换前的频率。根据计算，对于1276.80 nm（单光子）+ 1311.29 nm （和频激光1）→ 646.91 nm，使用1 cm长的LNOI波导，~8 mW的和频激光功率就足以实现确定性上转换过程，以目前的工艺水平完全可以实现。
图2 （a）下转换效率ηPDC与Q的关系。（b）DPDC所需的Q与微环半径R之间的关系。插图为LNOI波导横截面结构。（c）不同波导长度l与和频激光功率PSFG1下的上转换效率ηPUC
将上述光子倍增模块作为一个基本单元（图1（b）），通过不同的级联设计，就可以制备出各种不同类型的多光子态，以满足量子信息领域的不同应用需求，如图1（c）的Fock态、图3（a）的cluster态以及图3（b）的GHZ态。
图3 产生不同N光子比特态的片上方案举例。（a）N光子cluster态方案设计。（b）N光子GHZ态方案设计
综上，该研究提出了首个基于实际材料参数的多光子态确定性产生的理论方案，对未来大规模多光子态的制备的最终实现具有实际指导意义。同时，这种基于LNOI实现的确定性单光子相互作用不仅仅是突破多比特量子光源制备的关键技术，未来还可以用于实现确定性光子比特操纵，实现确定性光量子逻辑门、量子存储等，对于量子信息技术的实用化具有重大意义。
南京大学博士后刘华颖和博士生尚鸣昊为该成果的共同第一作者，谢臻达教授、龚彦晓教授和刘华颖博士后为共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家创新人才博士后培养计划等项目的支持。
刘华颖，南京大学物理学院博士后。2021年获南京大学物理学院博士学位。2021年入选“博士后创新人才计划”。研究方向为量子光学和量子信息，主要研究光学微结构材料对光场的集成调控，及其在量子信息领域的应用。至今已在包括National Science Review、Physical Review Letters、Advance Photonics Nexus在内的高水平期刊上发表SCI论文10余篇。
尚鸣昊，南京大学物理学院博士生，导师为祝世宁院士和谢臻达教授。2019年本科毕业于哈尔滨工业大学。主要从事量子光学、量子信息与集成光量子技术的研究。以第一作者/共同第一作者发表期刊论文2篇，合作发表论文3篇，国家发明专利授权2项，作为第一完成人获第十二届全国大学生创新创业年会优秀论文。
谢臻达，南京大学教授，博士生导师。2011年于南京大学获博士学位；2011年至2016年先后在美国哥伦比亚大学和加州大学洛杉矶分校(UCLA)从事博士后和研究科学家工作；2016年加入南京大学电子科学与工程学院。研究方向包括：光量子芯片、微腔光学频率梳、中红外微腔激光器等，曾提出并实现了基于无人机移动平台的纠缠光子分发和光学中继的纠缠光子分发实验，用于移动量子网络构建。至今已在包括National Science Review、Physical Review Letters、Nature Photonics、Nature Communications、Photonics Research在内的高水平期刊上发表SCI论文80余篇。
龚彦晓，南京大学物理学院教授，博士生导师。2009年于中国科学技术大学光学专业获博士学位，之后在南京大学物理学院从事博士后工作，2011年至2017年在东南大学物理学院任教，2017年4月加入南京大学物理学院。研究方向为量子光学和量子信息、非线性光学等，主要研究基于光学微结构的集成光量子信息技术，纠缠光子的产生、操控和应用。
祝世宁，南京大学物理学院和现代工学院教授，中国科学院院士，美国物理学会会士(APS fellow)、美国光学学会会士(OSA fellow)、中国光学学会会士。研究兴趣: 微结构功能材料和物理、非线性光学、激光物理与量子光学等。
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