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研究前沿 | 量子频率转换和铌酸锂纳米光子芯片单光子检测

时间:2023-05-23 点击量: 1235


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近日,中国科学技术大学潘建伟教授研究团队在《量子信息》期刊发文。研究团队构建了一个上转换单光子探测器(SPD)并设计并制造了一个低噪声的量子频率转换(QFC)纳米光波导器件。研究成果证明了基于铌酸锂芯片的上转换单光子探测器的可行性,成果有望在量子信息的铌酸锂集成电路中得到广泛应用。

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图1:QFC芯片结构。

过去十年,具有多种光学运算的光子集成芯片被广泛地应用于量子信息的研究当中。在众多材料中,铌酸锂绝缘体(LNOI)由于其宽阻带、杰出的光电性能、高光学非线性效率等特性而深受青睐。在芯片尺寸的量子信息应用中,铌酸锂绝缘体上的低噪声量子频率转换器是必不可少的。同时,虽然量子频率转换(QFC)已经在量子信息研究中得到了广泛的应用,但超高噪声会破坏量子状态,使单光子级别的量子频率转换(QFC)难以实现。

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图2:该芯片的频率转换性能。

潘建伟教授研究团队设计并制作了一个应用于铌酸锂绝缘体(LNOI)芯片上的低噪声的量子频率转换(QFC)纳米光波导器件。该纳米光波导器件采用1950纳米单频激光泵浦,将通信波段的单光子上转换到近可见光波段,实现了73%的内部转换效率和900 cps的芯片内计数率(NCR)。通过比较通信波段引发的单光子源(HSPS)在经过量子频率转换(QFC)前后的二阶关联特性,验证了铌酸锂绝缘体(LNOI)平台上的量子态保持。这样的量子频率转换(QFC)芯片有望广泛应用于铌酸锂绝缘体(LNOI)集成电路在量子信息中的应用。通过对和频输出进行光谱滤波,并用硅基单光子雪崩光电二极管(SPAD)检测,研究团队构建了一个上转换单光子探测器(SPD),其平均探测效率(DE)为8.7%,NCR为300 cps,证明了基于LNOI芯片的上转换SPD的可行性。

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图3:QFC过程的噪声分析。

研究团队在铌酸锂绝缘体(LNOI)芯片上实现了低噪声量子频率转换(QFC),可以实现远程量子存储器与各种量子系统的接口。通过将超导纳米线与铌酸锂绝缘体(LNOI)相结合,可以实现电信波段上的单光子探测。

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图4:二阶相关函数测量设置。

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图5:引发的自相关函数 

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图6:上转换SPD的检测效率(DE)和噪声计数率(NCR)。