中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊在中紅外波段量子糾纏的制備與表征研究中取得重要研究進展，該團隊史保森教授、周志遠副教授及其合作者首次制備了3微米中紅外波段時間-能量糾纏光子對并演示了雙光子Hong-Ou-Mandel干涉。該成果以“Quantumentanglementandinterferenceat3μm”為題于3月6日在線發(fā)表在國際知名學術(shù)期刊《Science Advances》上。

光量子信息技術(shù)的發(fā)展離不開量子光場的產(chǎn)生、調(diào)控與探測。盡管近紅外波段（0.7um∽2.5um）相關(guān)技術(shù)的發(fā)展已相對成熟，但鮮有其它波段非經(jīng)典光子對/單光子制備、調(diào)控和探測的工作報道。近年來，科研工作者開始逐步探索量子信息在中紅外光譜領域應用的理論和實驗研究，發(fā)現(xiàn)中紅外非經(jīng)典光子源與傳統(tǒng)通信、成像和傳感技術(shù)相結(jié)合，可以產(chǎn)生新的通信技術(shù)和探測、感知手段，這是因為：1.中紅外波段覆蓋了幾乎所有物質(zhì)分子的振動光譜，具有分子的“指紋”特征，可用于物質(zhì)成分鑒定和分析；2.中紅外波段包涵多個重要的大氣通信傳輸窗口，適合遠距離自由空間光通信和遙感探測；3.溫度為115K∽1150K的黑體輻射中心波長在中紅外波段，這為物體探測提供了一種有效的熱成像手段。

制約量子信息技術(shù)向中紅外光譜領域拓展的一個關(guān)鍵因素是缺乏高靈敏的中紅外探測器：基于半導體的中紅外雪崩單光子探測器和超導探測器目前處于實驗室驗證階段，尚無商業(yè)化產(chǎn)品，且需要在極低溫下工作才能保證低噪聲探測。一個有效的解決方案是利用量子頻譜遷移單光子探測技術(shù)，即通過非線性過程將中紅外光子頻率轉(zhuǎn)變到可見光或近紅外區(qū)域利用成熟的高性能硅單光子探測器進行探測（如圖1所示）。

圖1.量子頻譜遷移探測示意圖

近年來，研究團隊致力于中紅外糾纏源的制備和表征以及基于非線性頻率上轉(zhuǎn)換的探測研究，并取得了重要進展：團隊利用II類位相匹配的PPKTP晶體、通過簡并自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程成功制備了3.08微米的中紅外光子對，并結(jié)合團隊發(fā)展的高效率非線性上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)，通過Hong-Ou-Mandel（HOM）雙光子干涉檢驗了雙子光子之間的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)，利用Franson干涉證明光子之間存在時間-能量糾纏（圖2）。

圖2. HOM干涉和時間-能量糾纏的表征

該研究工作是中紅外光子糾纏制備的第一個工作，對該領域的發(fā)展具有重要影響。通過選擇合適的非線性晶體及其參數(shù)，結(jié)合非線性上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)，原則上可以制備和表征任意波長的中紅外糾纏光子對。由于中紅外光譜具有分子的“指紋”特征、包含大氣層的低損傳輸窗口以及與物體的熱輻射光譜重疊，因此可以預期中紅外非經(jīng)典光子源與傳統(tǒng)通信、成像和傳感技術(shù)的結(jié)合一定會為人們認知世界提供新技術(shù)和新方法，為量子信息技術(shù)的發(fā)展帶來新機遇。

中國科學技術(shù)大學史保森教授、周志遠副教授為該論文的共同通訊作者，博士研究生葛正、韓趙其智為該論文共同第一作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省和電磁空間安全國家重點實驗室開放基金的資助。

論文鏈接

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm7565

（中國科學院量子信息重點實驗室、中國科學院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學院、科研部）