對(duì)于該領(lǐng)域以外的人來(lái)說(shuō)，激光是一個(gè)大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。它并不是一個(gè)小到肉眼看不見(jiàn)的光子結(jié)構(gòu)。然而今天，得益于先進(jìn)納米制造技術(shù)，得以讓激光器、波導(dǎo)、探測(cè)器以及更多微型化的光學(xué)結(jié)構(gòu)不僅可以實(shí)現(xiàn)，而且變得相當(dāng)普遍。

芯片上的Hong-Ou-Mandel樣品

它們?yōu)殚_(kāi)發(fā)新型光子量子系統(tǒng)和量子技術(shù)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，其中一些應(yīng)用如今已經(jīng)面世。例如，十多年前，首批商用量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)問(wèn)世，該系統(tǒng)將信息編碼為光子，以實(shí)現(xiàn)更安全的通信。許多量子光子傳感器也已研制成功，包括可精確測(cè)量極弱磁場(chǎng)的光泵浦磁強(qiáng)計(jì)，用于醫(yī)療成像、地質(zhì)勘探和導(dǎo)航系統(tǒng)。最近，Xanadu Quantum Technologies和ORCA Computing 等公司一直在嘗試開(kāi)發(fā)實(shí)用的光子量子計(jì)算機(jī)，并將其實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

然而，科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界普遍認(rèn)為，迄今為止，光子量子技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的只是皮毛。以可擴(kuò)展的方式將微型化光學(xué)元件集成到芯片上，將帶來(lái)精密復(fù)雜的光子集成電路。最重要的是，量子技術(shù)的變革性應(yīng)用有望為現(xiàn)有和新的應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)好處，改變眾多行業(yè)。

這就是為什么Christine Silberhorn的OPTO全會(huì)“光子量子技術(shù)：從集成量子設(shè)備到設(shè)計(jì)可擴(kuò)展的復(fù)雜系統(tǒng)”如此吸引人的原因。人們已經(jīng)為某些系統(tǒng)集成了光學(xué)器件，但你是站在巨人的肩膀上：這很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樾枰獦O高質(zhì)量的設(shè)備，而且必須匯集大量不同的量子知識(shí)和理念，并在其他參數(shù)空間對(duì)其進(jìn)行定制和開(kāi)發(fā)。

Silberhorn是德國(guó)帕德博恩大學(xué)的全職教授。她在基礎(chǔ)量子光子學(xué)領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)，在世界上首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了光波特性中的糾纏態(tài)（量子關(guān)聯(lián)），并證明了非經(jīng)典關(guān)聯(lián)（即愛(ài)因斯坦-波多爾斯基-羅森態(tài)）的波和粒子性質(zhì)同時(shí)存在。與此同時(shí)，多年來(lái)她一直嘗試開(kāi)發(fā)實(shí)用的、可擴(kuò)展的集成光子系統(tǒng)，從三個(gè)互補(bǔ)的方向攻克這一難題。

她的基礎(chǔ)研究重點(diǎn)，是由合成晶體材料鈮酸鋰制成的工程集成設(shè)備。這種材料具有良好的鐵電、電光和聲光特性，是低損耗集成線性和非線性量子光子學(xué)的理想基礎(chǔ)。Silberhorn團(tuán)隊(duì)將有源光學(xué)元件（如頻率轉(zhuǎn)換器、電聲和聲光器件）與無(wú)源元件（如定向耦合器、錐形器、分束器、結(jié)點(diǎn)等）結(jié)合起來(lái)，生產(chǎn)出非線性光學(xué)波導(dǎo)鈮酸鋰基板。這些基板為研究人員的許多量子光子實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)。

“在此基礎(chǔ)上，第二個(gè)研究方向涉及用脈沖光抽運(yùn)這些鈮酸鋰系統(tǒng)，”ilberhorn解釋說(shuō)，“抽運(yùn)我們的系統(tǒng)將超快光學(xué)和量子光學(xué)中的集成設(shè)備結(jié)合在一起。這對(duì)參數(shù)下轉(zhuǎn)換光源的影響尤為明顯，而參數(shù)下轉(zhuǎn)換光源正是這些系統(tǒng)的主力。”
參量下變頻是一種非線性光學(xué)過(guò)程，它能將脈沖光源的光子轉(zhuǎn)換成一對(duì)能量較低的光子，從而產(chǎn)生單光子或糾纏光子對(duì)。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用參量下變頻來(lái)設(shè)計(jì)集成預(yù)示單光子源和集成糾纏光子對(duì)源。

Christine Silberhorn（左）與一名學(xué)生在量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室合影

成功的實(shí)驗(yàn)

他們還在用脈沖光抽運(yùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了許多其他創(chuàng)新的集成鈮酸鋰器件。他們?cè)谶@個(gè)方向上取得的最大突破之一發(fā)生在2019 年，當(dāng)時(shí)Silberhorn的團(tuán)隊(duì)在單個(gè)集成光子芯片上演示了Hong-Ou-Mandel實(shí)驗(yàn)。Hong-Ou-Mandel效應(yīng)是光量子計(jì)算中實(shí)現(xiàn)邏輯門的重要物理機(jī)制。在這種情況下，進(jìn)入分光鏡的兩個(gè)光子之間的完美干涉，會(huì)導(dǎo)致它們以50:50的幾率同時(shí)以任一輸出模式輸出。團(tuán)隊(duì)通過(guò)在單個(gè)芯片上集成量子光子元件來(lái)演示這種效應(yīng)，該芯片能夠產(chǎn)生、串聯(lián)和檢測(cè)兩個(gè)單獨(dú)的光子。

Silberhorn的第三個(gè)也是最后一個(gè)研究方向更具前瞻性，旨在構(gòu)建大型、復(fù)雜和先進(jìn)的鈮酸鋰量子集成電路。更具體地說(shuō)，她的團(tuán)隊(duì)正試圖將非線性參量下變頻源、無(wú)源路由元件（如光束耦合器、分光器和開(kāi)關(guān)）以及主動(dòng)可控電光元件（如相位調(diào)節(jié)器和偏振轉(zhuǎn)換器），集成在一個(gè)共同的基板上，從而實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用的集成量子電路。

多光子糾纏量子態(tài)的產(chǎn)生就是其中一項(xiàng)應(yīng)用。這種多光子糾纏量子態(tài)，是推動(dòng)多方量子通信、量子傳感、量子計(jì)量等量子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。2022年，Silberhorn團(tuán)隊(duì)發(fā)表了一項(xiàng)研究成果，展示了一種能在多個(gè)光子之間產(chǎn)生糾纏的方法，其概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于之前可用的方法。

他們使用單一光源，連續(xù)產(chǎn)生一對(duì)偏振糾纏光子。第一對(duì)光子中的一個(gè)光子被儲(chǔ)存起來(lái)，直到隨后一對(duì)光子中的一個(gè)光子被干擾。這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到達(dá)到所需的多光子狀態(tài)。在他們的實(shí)驗(yàn)中，Silberhorn及其合作者制造出了四光子和六光子糾纏態(tài)，成功率分別比以前高出9倍和35倍。但從原理上講，這種技術(shù)還可以用來(lái)產(chǎn)生更高的多光子態(tài)。

盡管這是一項(xiàng)令人印象深刻的成就，但獲得這些多光子態(tài)的實(shí)驗(yàn)裝置非常龐大和復(fù)雜。如今，在量子專用集成電路上縮小這種裝置是不可能的。不過(guò)，Silberhorn相信，通過(guò)多學(xué)科合作的方法，總有一天可以實(shí)現(xiàn)這種應(yīng)用。光子量子系統(tǒng)研究所是一個(gè)跨學(xué)科研究機(jī)構(gòu)，致力于為先進(jìn)的量子光子設(shè)備建模并開(kāi)發(fā)硬件和軟件。

Silberhorn預(yù)測(cè)：我們將看到越來(lái)越多的復(fù)雜系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將更多地集成在小尺寸芯片上，光子學(xué)在量子通信、量子計(jì)算和量子計(jì)量學(xué)中至關(guān)重要。但要真正把基本理念帶到一個(gè)平臺(tái)上，就需要將基礎(chǔ)物理學(xué)、量子信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、電子工程等領(lǐng)域的不同專業(yè)知識(shí)結(jié)合在一起。

正因?yàn)槿绱耍琒ilberhorn在今年不僅要展示她的研究成果，還參加了西部光電大會(huì)，她對(duì)此感到非常興奮。我認(rèn)為展會(huì)是一個(gè)不同專業(yè)知識(shí)的大聚會(huì)，在這里可以學(xué)到很多東西，無(wú)論是納米光子學(xué)、超快激光，還是量子學(xué)，因?yàn)槲艺J(rèn)為這才是真正的研究，在這里你可以將不同領(lǐng)域的知識(shí)匯聚在一起。

來(lái)源：榮格-《國(guó)際工業(yè)激光商情》

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