Cobolt 785 nm激光器助力量子光学新突破- 大数跨境

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2026-06-01

导读：近日，一项发表于《Nature Communications》的研究（论文编号：s41467-026-72850-6）展示了在可编程集成光子电路中成功模拟福克态量子光相干吸收的重要成果。该实验使用了C

近日，一项发表于《Nature Communications》的研究（论文编号：s41467-026-72850-6）展示了在可编程集成光子电路中成功模拟福克态量子光相干吸收的重要成果。该实验使用了Cobolt公司生产的785 nm连续波二极管激光器作为核心泵浦光源。

非厄米量子系统与相干吸收

在量子光学中，非厄米系统通过非幺正演化实现量子态的操控，其中“相干吸收”是一个典型过程：量子光在特定损耗介质中发生相位依赖的部分或完全吸收。此前，相关实验多依赖静态、不可编程的光学元件，缺乏灵活性和可调谐性。

实验装置与光子芯片电路布局。a 实验装置示意图。光子对通过785纳米连续波激光泵浦的PPKTP晶体中II型自发参量下转换(SPDC)产生。采用边缘耦合器实现光芯片的输入输出耦合。输入端使用光纤偏振控制器确保高效耦合至波导的TE模式，芯片输出端则通过偏振旋转使探测器达到最大效率。输出光子由超导纳米线单光子探测器(SNSPDs)(置于2.6K低温恒温器中)检测，并通过Swabian时间标记器记录符合计数。b 实验中使用的8×8可编程光子芯片功能布局。该网状结构包含三个有源子网络：(i)用于制备单光子叠加态或NOON态的单MZI单元；(ii)实现CPA变换的核心三模可编程干涉仪；(iii)用于态分析的可分辨光子数MZI阵列。c 对应NOON态制备的片上Hong-Ou-Mandel干涉，采用三角函数y = a − b∣x − x0∣拟合显示可见度为0.939。该干涉凹陷通过平移台上棱镜调节SPDC输出路径中光子对的相对延迟获得。

可编程光子芯片上的量子模拟

集成光子模拟中的经典与量子相干吸收。a 有效损耗分束器处的经典相干吸收现象。两束反向传播的输入光场干涉形成驻波，可分解为两种模式的叠加：耦合至损耗通道的吸收模式（模式C）与完全透射的非吸收模式（模式S）。这两个模式的相对权重由输入光场间的相位差控制。该驻波图像启发了集成光子模拟设计（底部），其中平衡干涉网络将行波输入映射为驻波超模，并通过仅耦合模式C至吸收器实现吸收。b 单光子实现方案：在两输入模式中处于相干叠加态的单光子于网络内发生单光子量子干涉，实现相位控制的吸收器耦合（图示案例）。c 双光子实现方案：双光子量子干涉（如NOON态输入）可实现多光子态的相位依赖相干吸收（图示案例）。

相干完美吸收实验示意图。a理论合成流程示意图：通过准酉扩展将2×2非酉散射矩阵嵌入3×3酉矩阵，并采用克莱门茨方案分解为马赫-曾德尔干涉仪网状结构。Rij表示准酉分解步骤产生的附加复数。b自由空间与集成光子实现相干吸收的概念对比。两种情况下，输入均为两个空间模式（单光子态或双光子NOON态）的量子叠加态。自由空间实现采用体光学50:50分束器制备该态，集成光子平台则采用片上马赫-曾德尔干涉仪，并通过外部SPDC源产生不可区分光子对。自由空间情形中，该态与静态有损分束器（上图绿色平面）相互作用，吸收率由输入态的相对相位决定。集成版本使用可编程三模干涉仪（MZI1-MZI3）模拟此过程，可对模拟分束器的∣r∣、∣t∣、φrt和A进行调谐控制。其余所有片上MZI均配置为无源波导以传输光信号而不影响变换电路。探测通过预示测量（单光子态情形）或光子数符合计数（NOON态情形）实现。

该研究团队设计并实现了一款基于硅光平台的8×8可编程线性光子芯片，成功模拟了非幺正变换下的量子光相干吸收过程。具体工作包括：

芯片架构与功能

芯片内部集成了多个马赫-曾德尔干涉仪（MZI），通过热光相移器实现精确相位控制。研究中重点使用了一个3模核心电路，模拟两类不同参数的损耗分束器（Type 1 与 Type 2），并实现了对透射率、反射率、吸收系数及内部相位的完全可编程调节。

输入量子态制备

单光子态：通过片上MZI将单个光子制备为双路径叠加态，输入芯片进行实验。

双光子NOON态：利用不可区分的双光子通过片上MZI产生路径纠缠的NOON态，用于更高精度的相位测量。

关键实验结果

单光子实验展示了相位控制下的完美透射与完美吸收之间的连续调谐。

双光子NOON态实验实现了确定性单光子吸收与概率性双光子吸收的切换。

观察到了反聚束、聚束等非经典效应。

通过经典Fisher信息分析，单光子态的相位灵敏度峰值达到1，NOON态达到3.4，超过了双光子散粒噪声极限（2），接近海森堡极限（4）。

实验与理论结果的Bhattacharyya重叠度高达0.93以上，验证了高保真度的量子态操控。

意义与前景

该工作展示了可编程、辅助模扩增的线性光路在量子态工程、量子滤波、复用传感及非幺正量子模拟中的强大潜力，为未来集成量子处理器的发展提供了新路径。

Cobolt激光器的关键作用：高品质纠缠光子对的产生

在这项实验中，Cobolt 785 nm连续波二极管激光器被用作自发参量下转换（SPDC）过程的泵浦源。具体而言，Cobolt激光器的作用包括：

激发非线性晶体（PPKTP）：激光器输出的785 nm连续光泵浦周期性极化的KTP晶体，通过II型SPDC产生中心波长约1570 nm的关联光子对。

保证光子不可区分性：通过精确控制激光器的温度与电流，确保产生的光子对在波长、偏振和时间上高度不可区分，这是实现高可见度（93.9%）Hong-Ou-Mandel干涉和高质量NOON态的关键前提。

支撑高计数率与低噪声：实验中测得单光子计数率约150 kHz，双光子符合计数率约30 kHz（2 ns窗口），同时通过heralded二阶相关函数测量得到g²(0)=0.014，证明光源具备优异的单光子纯度。

可以说， Cobolt激光器是整个实验的“量子光源引擎” ，其稳定、低噪声、高光束质量的连续波输出，直接决定了纠缠光子源的质量与实验数据的可靠性。

参考论文：Emulation of coherent absorption of Fock state quantum light in a programmable linear photonic circuit，《Nature Communications》，https://doi.org/10.1038/s41467-026-72850-6（2026年4月在线发表）

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