導(dǎo)讀

光子作為一種常見的量子信息載體，在量子科學(xué)和技術(shù)中起到了關(guān)鍵作用。相較于電信號(hào)，光的一個(gè)特殊優(yōu)勢(shì)在于它有極大的帶寬。每個(gè)光子可以有不同的顏色（也就是頻率）和頻域形態(tài)。操控它們對(duì)量子信息有重要意義。但是，量子光譜操控是一個(gè)極難的任務(wù)，因?yàn)楦淖児庾拥念l率意味著改變它的能量。

而在集成光子芯片上完成這個(gè)任務(wù)更是難上加難。近日，哈佛大學(xué)MarkoLon?ar團(tuán)隊(duì)利用薄膜鈮酸鋰調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了片上單光子頻率偏移和帶寬壓縮。這一研究對(duì)片上量子光譜操控有重要意義，對(duì)量子計(jì)算、量子通訊和網(wǎng)絡(luò)有著實(shí)際應(yīng)用前景。

圖一：通過薄膜鈮酸鋰集成電光調(diào)制器改變單光子顏色

背景和原理

時(shí)間和頻率是不可分割的。光同時(shí)有波動(dòng)性和粒子性。作為波，它的相位隨著時(shí)間在進(jìn)行周期性的變化，而這個(gè)變化的速度就是光的頻率， 而它也決定了光的顏色。

如圖2所示，給一個(gè)光子施加一個(gè)隨著時(shí)間線性變化的相位就像在加速或者減慢它的震動(dòng)。這樣就直接導(dǎo)致了該光子的頻率變化。類似的，如果我們給一個(gè)光子施加非線性相位變化，光子就像看到了一個(gè)時(shí)間上彎曲的透鏡，它的頻率形態(tài)就可以被壓縮或者展寬。

圖二：動(dòng)態(tài)相位調(diào)制可以控制光子頻率和帶寬

此類基于電光調(diào)制的光譜控制已被廣泛應(yīng)用于超快光學(xué)中。但它們?cè)诩尚酒蠀s很少被展示，尤其在量子領(lǐng)域。這是因?yàn)槭┘觿?dòng)態(tài)相位需要一個(gè)重要的器件—電光相位調(diào)制器。然而，主流集成光學(xué)材料，比如硅和氮化硅，缺乏電光性質(zhì)，從而無法實(shí)現(xiàn)高速、低損耗電光調(diào)制。

近年來，薄膜鈮酸鋰逐漸成為一種新型集成光學(xué)材料。此材料有良好的的非線性和電光效應(yīng)，非常適于量子和非線性應(yīng)用。此前基于此平臺(tái)研發(fā)出了遠(yuǎn)超傳統(tǒng)器件的高性能電光調(diào)制器。這些調(diào)制器具有體積小，帶寬高，低電壓等優(yōu)勢(shì)。

近日，研究者引用“雙通”的新設(shè)計(jì) （圖一）進(jìn)一步優(yōu)化了薄膜鈮酸鋰相位調(diào)制器，使其高頻半波電壓大大降低。此器件讓研究者得以高效控制單光子頻率，用千兆赫茲微波調(diào)制實(shí)現(xiàn)太赫茲光子頻率偏移。此外，研究者還使用時(shí)間透鏡原理展示了單光子帶寬壓縮。

實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員首先產(chǎn)生脈沖孿生光子對(duì) (紅外波段)，然后將它們分開，取其中的一個(gè)光子并讓其通過集成調(diào)制器。通過在調(diào)制器上施加正弦微波信號(hào)并且將其與光子同步（圖三），研究人員完成了高達(dá)±641 GHz的頻率偏移。這是現(xiàn)有基于電調(diào)控的最大的單光子頻率偏移。

圖三：?jiǎn)喂庾宇l率偏移。當(dāng)光子被同步到調(diào)制信號(hào)上升沿時(shí)，光子會(huì)產(chǎn)生藍(lán)移；反之會(huì)產(chǎn)生紅移

為了驗(yàn)證這個(gè)方法能保留光子的其他量子性質(zhì)，研究人員進(jìn)一步進(jìn)行了Hong-Ou-Mandel (HOM) 干涉實(shí)驗(yàn)。HOM干涉是指當(dāng)兩個(gè)完全一樣的光子在一個(gè)分光鏡相遇，它們一定會(huì)從同一個(gè)出口出來。當(dāng)兩個(gè)光子顏色不同時(shí)， 它們無法產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

然而，當(dāng)實(shí)驗(yàn)者對(duì)其中一個(gè)光子施加頻率調(diào)控后，這兩個(gè)光子變成了同樣的顏色，從而產(chǎn)生了高可見度量子干涉（圖四）。此實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該操控方法適用于量子應(yīng)用。

圖四：通過頻率調(diào)控可以讓兩個(gè)不同顏色的單光子發(fā)生量子干涉

此外，研究人員使用同一個(gè)調(diào)制器，利用時(shí)間透鏡的原理，展示了單光子帶寬壓縮。通過給光子施加合適的色散，并將它同步到調(diào)制信號(hào)的波谷，實(shí)驗(yàn)者將一個(gè)6.55 nm帶寬的單光子壓縮到了0.35 nm，超過18 倍壓縮率。

圖五：同樣的集成電光調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間透鏡從而壓縮單光子帶寬

對(duì)單光子的頻譜操控在量子網(wǎng)絡(luò)中有著重要意義。這是因?yàn)椴煌牧孔庸庠椿蛘吡孔觾?chǔ)存器往往有不同的頻率和帶寬。如果想要連接它們并達(dá)到高效信息交換，它們的頻率和帶寬必須同步。

總結(jié)和展望

在這項(xiàng)工作中，研究人員利用新型薄膜鈮酸鋰調(diào)制器完成了創(chuàng)紀(jì)錄的片上單光子頻率操控。該器件體積小、性能高。最重要的是，它能高密度地和其它重要器件（例如單光子源，單光子探測(cè)器，微腔等）集成在同一個(gè)芯片上，從而完成更復(fù)雜和有挑戰(zhàn)性的量子操控。后續(xù)研究者將進(jìn)一步開展頻域量子信息處理的研究，并且探索它們?cè)诹孔佑?jì)算和量子網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)應(yīng)用。

審核編輯：劉清