图1 在光拓扑绝缘体中实现受拓扑保护的连续频率纠缠双光子态
1. 导读
量子纠缠描述一个系统中两个或两个以上粒子之间相互关联的特性，目前被广泛应用于量子通信、量子计算和量子信息处理等领域中。然而，纠缠的双光子态信号微弱，在光子器件中的传输容易受到外部干扰，在较为复杂的传输路径中信号容易失真。
针对这些问题，近日上海交通大学何广强副教授课题组和姜淳教授课题组合作在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种在光拓扑绝缘体中实现受拓扑保护的连续频率纠缠双光子态的方案（见图一）。基于量子谷霍尔效应可以在光子晶体中构建光拓扑绝缘体，在拓扑带隙中出现拓扑边界态，利用硅材料的三阶非线性效应——四波混频可以在光拓扑绝缘体中制备一对信号光与闲置光，该研究团队理论上证明信号光与闲置光之间满足连续频率纠缠关系，且由于信号光与闲置光的频率位于拓扑非平庸带隙内，因此，产生的连续频率纠缠双光子态受到拓扑保护，具有较强的鲁棒性。
该研究成果不仅为实现拓扑保护的量子态提供了清晰的理论和设计指导，并为未来拓扑保护的纠缠双光子态在量子通信、量子计算等领域的研究与应用打开了新思路。
2. 研究背景
光拓扑绝缘体的出现，为实现具有强鲁棒性的光集成器件提供了可靠的解决方案。基于量子谷霍尔效应可以在光子晶体中构建光拓扑绝缘体，在两种具有相反的能谷陈数的谷光子晶体的交界面存在受拓扑保护的边界态。由于系统的时间反演对称性未被打破，因此，该边界态总是成对出现，且其传输方向与谷自旋锁定。得益于拓扑保护的边界态在经过拐角等结构缺陷背向散射被极大的抑制，拓扑保护很快被应用到量子领域中。
一种有效制备量子纠缠的方法是利用三阶非线性材料的四波混频效应，输入的两个泵浦光光子湮灭，产生一对信号光与闲置光。然而，基于四波混频效应产生的双光子态信号微弱，极易在信号传输过程中由于损害产生失真。为了解决这一问题，可以在光拓扑绝缘体中制备纠缠态，实现受拓扑保护的双光子纠缠态，该纠缠态在拐角等结构缺陷背向散射被极大的抑制，具有较强的鲁棒性。
3. 创新研究
针对上述问题，研究人员从拓扑光子晶体出发，提出了一种连续频率纠缠双光子态的产生及拓扑保护的方法。如图一，在硅基光子晶体平板中，利用四波混频效应制备信号光与闲置光光子对，要实现四波混频效应，需要满足能量守恒及动量守恒条件，根据四波混频效应动量守恒条件和拓扑边界态的色散关系，可以得到相应的相位失配量，如图2（a）所示。由于信号光与闲置光的频率都位于拓扑非平庸带隙内，因此双光子态受到拓扑保护，具有较强的鲁棒性，能够无损耗地通过拐角等传输路径，如图2（b）所示。
图2 光拓扑绝缘体中四波混频效应
图3 光拓扑绝缘体产生的双光子态的量子特性
4. 应用与展望
研究团队提出的连续频率纠缠双光子态的产生及拓扑保护的新方法，通过在拓扑光子晶体中实现非线性四波混频效应，制备连续频率纠缠双光子态，通过设计使得四波混频效应产生的双光子态频率拓扑非平庸带隙内，实现连续频率纠缠双光子态的拓扑保护。该研究将在量子通信、非线性光子器件等方面具有广阔的应用场景。
该研究成果以“Topological protection of continuous frequency entangled biphoton states”为题在线发表在Nanophotonics。
本文作者分别Zhen Jiang, Yizhou Ding, Chaoxiang Xi, Guangqiang He, Chun Jiang，其中Zhen Jiang为该论文的第一作者，Guangqiang He和 Chun Jiang为共同通讯作者。何广强副教授团队和姜淳教授团队都隶属于区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室（上海交通大学实验区）。
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