近日，中国科学技术大学中科院量子信息重点实验室郭光灿院士、任希锋教授课题组在集成化量子光源制备研究中取得了新进展。该团队基于集成自发四波混频过程，展示了低温条件下集成量子纠缠光源的制备。他们系统研究了4 ~294 K温度下硅波导中的自发四波混频过程，并讨论了量子光源亮度、噪声等性质随温度的变化，为实现光量子系统的全片上集成和光互联不同量子系统构建量子网络等众多新应用奠定了基础。
研究成果以“Entanglement generation using cryogenic integrated four-wave mixing”为题于2023年6月2日发表在Optica上。
光量子集成芯片以其极高的相位稳定性和可重构性，逐渐发展成为展示新型量子应用、开发新型量子器件的理想平台。目前，大多数光量子集成器件聚焦于室温条件下的功能，但许多量子元件（如：超导纳米线单光子探测器）和半导体、超导量子计算系统等，都需要在低温条件下运行。为了实现光量子系统的全片上集成和光互联不同量子系统构建量子网络，低温非线性过程的相关研究不可或缺。
在不同材料体系的光量子集成芯片中，同四波混频过程相结合的硅光子学为量子光学提供了一个重要的测试平台，在可扩展光量子信息应用中发挥着重要作用。集成硅波导中的四波混频过程被应用于多种多样的场景中，如波长变换和参量放大、先验单光子源、多光子纠缠态和压缩态的制备等。研究低温条件下的四波混频过程将进一步扩展集成光子芯片的应用。
针对上述问题，该团队通过将集成硅纳米线和光纤阵列置于低温腔中，实验展示了低温条件下（4 K）量子光源的制备情况。实验装置如图1所示，经过前置滤波的泵浦激光通过光纤阵列耦合输入进光子芯片中，同时将片上通过自发四波混频过程产生的光子对从另一根光纤中输出。经过后置滤波后，将关联光子对输入到波分复用器中进行进一步分析。 
图1 低温集成量子光源实验系统
通过调控低温腔的温度，研究团队比较了低温（4 K）和室温条件下量子光源的性质，实验结果如图2所示。从实验结果可以看出，即使在低温条件下，硅波导中的自发四波混频过程仍然能够作为一种制备量子光源的有效方式；并且低温环境降低了硅波导中的噪声，量子光源具有更高的信噪比。
图2 低温和室温条件下量子光源产生情况对比
进一步地，该团队选择单一频率通道记录了光源亮度和信噪比随着温度和泵浦功率的变化，实验结果如图3所示。 量子光源具有诸多应用，其中包括进一步用于制备量子纠缠态。通过将低温量子光源输入进不等臂干涉仪中，该团队制备了多频率复用的能量-时间纠缠态，其量子态形式为：
实验装置如图4a所示。通过调控干涉相位，研究人员对能量-时间纠缠态的性质进行了表征。实验表明多个频率通道的量子干涉可见度都在0.98左右，为量子信息进一步应用奠定了基础。
图4 低温量子光源用于制备能量-时间纠缠态
该团队成功将基于自发四波混频过程的量子光源扩展到低温条件，为光量子器件的全片上集成和低温条件下非线性光学的进一步应用奠定了基础。结合低温集成光子调制器，多种光量子应用都能够扩展到低温环境。由于具有优异性能的超导单光子探测器也能在类似的温度下工作，因此光子源、量子态调制和单光子检测等有望在低温环境下实现全片上集成，这将大大减少芯片输入和输出损耗，从而促进光量子芯片的大规模和实用化。除了量子光源，该工作也将促进其它低温非线性研究，如全光调制、波长转换和参量放大等。
审稿人对该工作给出高度评价并表示，“这项工作为低温环境下集成量子光学的研究提供了重要依据（provides useful insight into the study of integrated quantum optics in cryogenic environments）”。
该工作第一完成单位是中国科学技术大学。中国科学技术大学任希锋教授为论文通讯作者，特任副研究员冯兰天和博士研究生程羽洁为论文共同第一作者。此外，中科院量子信息重点实验室周志远教授、天津工业大学祁晓卓博士和浙江大学戴道锌教授、张明助理研究员为该工作提供了技术支持。该项工作得到了科技部、基金委、中科院、安徽省以及中国科学技术大学的支持。
https://doi.org/10.1364/OPTICA.476712
