中国科大在集成量子纠缠光源的合作研究中取得重要进展 2020-06-29

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我校郭光灿院士团队任希锋副教授等人与南京大学祝世宁院士团队，及香港理工大学、华东师范大学等单位合作，在高维、多光子量子纠缠光源研究中取得了重大突破。6月26日，研究成果以"Metalens-array-based high-dimensional and multi-photon quantum source"为题发表在《Science》上。

随着光量子信息技术的发展，现有的量子光源制备方案在提高纠缠维度以及纠缠光子数方面都面临着光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题，已经不能满足量子计算、量子通讯、量子计量等领域的需求，制约着光量子信息朝着大规模集成方向发展。最近， "超构表面"的研究为量子光源及光量子信息技术的发展提供了一条全新的路径。

研究者引入超构表面技术，将超构透镜与非线性光学晶体组合在一起，构成全新的超构表面量子光源系统。他们制备出10X10的超构透镜阵列，该阵列将泵浦激光均匀地分成10X10份，在BBO晶体中聚焦发生自发参量下转换过程，可制备100维路径纠缠，也可以产生多光子。增加透镜阵列数还可以进一步提高纠缠光子的维度。

图一：基于超构透镜阵列的量子光源系统

实验测得所构成的二维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%，96.6%和95.0%。不仅如此，超构透镜具有灵活的光场调控能力，可以对光场的相位、偏振、振幅等集成调控。研究团队通过对超构透镜的相位设计，对所制备的量子纠缠态进行了精细的相位编码，并通过实验进行了很好的证明。在多光子方面，研究者利用415 nm的飞秒激光作为泵浦源，测量了由该系统制备的4光子和6光子的符合曲线，并展示了4光子Hong-Ou-Mandel干涉的结果，得到很高的干涉对比度，证明产生的多光子量子光源具有很好的性质。

图二：制备的高维纠缠态的表征。

该工作通过引入超构表面技术，实现了高维度、集成化的双光子、多光子纠缠光源，突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制，有望应用于高维度的量子通信、量子计算、量子存储等领域，对于发展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技术具有重要意义。

李林博士（南京大学访问学者，现华东师范大学研究员）、刘泽玄（南京大学博士生）、任希锋副教授（中国科学技术大学）、王漱明副教授（南京大学）为本工作并列第一作者。南京大学张利剑教授、王漱明副教授、王振林教授、祝世宁院士和香港理工大学蔡定平教授为该项成果的并列通讯作者。我校郭光灿院士，柳必恒副教授为合作作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。

文章链接：https://science.sciencemag.org/content/368/6498/1487

（中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）

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