用于在LNOI电路中产生确定性N光子状态的片上方案。

量子光学可以用于实际应用吗？很大程度上取决于量子态中是否可以聚集大量光子。

在所有量子系统中，光子以其弱相互作用而闻名，即使在室温下也可以实现较长的相干时间，使其适合在遥远的位置之间传输量子比特（也称为“量子比特”）。然而，光子的弱相互作用限制了被称为多光子量子比特态或“N光子态”的量子态的产生。产生N光子态仍然是量子光学领域的基本挑战。

据Advanced Photonics Nexus报道，南京大学的研究人员提出了第一种方案，原则上，该方案实际上可以确定地产生N光子状态 - 因此光子数倍增以100%的效率发生 - 具有无限数量的光子。该方案在实验上是可行的，通过使用绝缘体上的铌酸锂（LNOI）平台考虑了实际材料能力，该平台提供了超强χ(2)非线性相互作用。

在报告的方案中，关键组件是光子数倍增单元（PDU），它可以在保持光谱不变的情况下使光子数加倍。在PDU中，最具挑战性的部分是从单光子到双光子的确定性转换。它以前已经提出并在理论上进行了研究，但只有理想的χ(2)或 χ(3)重大假设。基于实际材料参数，研究人员提出了第一个实验可行的PDU工艺方案。该团队表明，PDU对于不同量子技术应用的N量子比特态的生成是通用的，并提出了N光子Fock态，簇态和GHZ态的片上设计作为示例。

他们的方案涉及高Q值LNOI微环谐振器中的确定性参数下变频（DPDC）。结合LNOI平台的超高非线性和谐振器的腔体增强效果，DPDC可以用107 Q因子微环，在制造和实验的电流范围内。除了DPDC之外，为了可扩展性，PDU中还需要确定性参数上变频（DPUC），用于将光子频率转换回泵浦频率。他们表明，这可以通过LNOI电路中的毫瓦级片上功率来实现。

作为第一个考虑实际材料参数的确定性N光子状态生成实验可行的方案，该工作为未来大光子数状态的实际实现提供了重要的指导。据资深作者、南京大学电子科学与工程学院教授谢臻达介绍，“大数光子态被认为是物理学家在量子光学和量子信息方面的终极目标之一。这项工作提出了实际实现目标的第一个可行方案。谢教授补充说：“这种基于LNOI的确定性单光子相互作用不仅可以用于光子生成，还可以用于光子操纵，以实现量子门，量子存储等，以推动量子计算，量子通信和整体量子信息技术的发展。

（a） 确定性N光子状态生成方案。（b） 片上 PDU 布局。（c） N光子福克态的片上设计。（d） 微环谐振器中的DPDC工艺。图片来源：Liu， Shang， et al.， doi 10.1117/1.APN.2.1.016003

该团队预计，他们对量子信息的光学方法将引起人们的兴趣，并鼓励其他研究人员实际展示它。

本文翻译自SPIE Publications！