中國科大在集成光子芯片上實現(xiàn)人工合成非線性效應(yīng)

  中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在集成光子芯片量子器件的研究中取得重要進展。該團隊鄒長鈴、李明研究組提出人工合成光學(xué)非線性過程的通用方法，在集成芯片微腔中實驗觀測到高效率的合成高階非線性過程，并展示了其在跨波段量子糾纏光源中的應(yīng)用潛力。相關(guān)成果以“Synthetic five-wave mixing in an integrated microcavity for visible-telecom entanglement generation”為題于10月20日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》上。

  自激光問世以來，非線性光學(xué)效應(yīng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于光學(xué)成像、光學(xué)傳感、頻率轉(zhuǎn)換和精密光譜等領(lǐng)域中。對于新興的量子信息處理來說，它也是實現(xiàn)量子糾纏光源以及量子邏輯門操作的核心元素。然而受限于材料非線性極化率隨階數(shù)呈指數(shù)衰減這一本征屬性，人們對光學(xué)非線性的應(yīng)用主要局限于二階和三階過程，多個光子同時參與的高階過程很少被研究。一方面，低階過程限制了傳統(tǒng)非線性與光量子器件的性能，比如量子光源的可擴展性；另一方面，人們也好奇高階非線性過程所蘊含的新穎非線性與量子物理現(xiàn)象。

  利用集成光子芯片上的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)可以增強光子間的非線性相互作用，這已經(jīng)成為目前國際上集成光學(xué)與非線性光學(xué)方向的研究熱點。鄒長鈴研究組李明等人長期致力于集成光子芯片量子器件的研究，開拓微腔增強的非線性光子學(xué)，提出并證實了微腔內(nèi)多種非線性過程的協(xié)同效應(yīng)[PRL 126, 133601 (2021); PRA 98, 013854 (2018)]，開辟了室溫下少光子、甚至單光子級的量子器件的新途徑[PRL 129, 043601 (2022); PRApplied 13, 044013 (2020)]。現(xiàn)階段，該研究組已經(jīng)能夠?qū)⒎蔷€性相互作用強度隨階次的衰減速率從10-10提升到10-5。即使如此，在集成光子芯片上實驗觀測到階次大于三的高效率非線性效應(yīng)依然極具挑戰(zhàn)。

  針對該難題，李明等人另辟蹊徑，提出一種新穎的非線性過程人工合成理論，即利用材料固有的較強的二階、三階等低階效應(yīng)，通過人工調(diào)控多個低階過程級聯(lián)形成的非線性光學(xué)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)任意形式、任意階次的光子非線性相互作用。這種方法避免了在原子尺度去修飾材料的非線性響應(yīng)，而僅需要控制微納器件的幾何結(jié)構(gòu)就可實現(xiàn)高效率、可重構(gòu)的高階非線性過程。

  利用集成的氮化鋁光學(xué)微腔，該團隊在實驗上同時操控二階的和頻過程和三階的四波混頻過程，合成了更高階的四階非線性過程。實驗證明，該人工合成的過程比材料固有的四階非線性效應(yīng)強500倍以上。如果進一步提升微腔的品質(zhì)因子，該增強倍數(shù)可達1000萬以上。

  圖1.人工合成非線性五波混頻示意圖

  該團隊將人工合成的四階非線性應(yīng)用于產(chǎn)生跨可見-通信波段的量子糾纏光源。通過測量跨波段光子間的時間-能量糾纏驗證了人工合成過程的相干性。相比于傳統(tǒng)跨波段量子糾纏光源的產(chǎn)生方法，該工作極大降低了相位匹配的困難，并且僅需要通信波段單一泵浦激光，展現(xiàn)了人工合成非線性過程的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。審稿人高度肯定了該工作的創(chuàng)新性（“it should be published in Nature communication for its innovation qualities）。

  中國科學(xué)院量子信息重點實驗室博士研究生王家齊、楊元昊為論文的共同第一作者，李明副研究員、鄒長鈴教授為論文通訊作者。本研究得到了國家科技部重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費的支持。

  論文鏈接：

  https://www.nature.com/articles/s41467-022-33914-5