中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)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(jìn)展，該團(tuán)隊史保森教授、周志遠(yuǎn)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(xué)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(lǐng)域應(yīng)用的理論和實(shí)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(yuǎn)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(lǐng)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(dǎo)體的中紅外雪崩單光子探測器和超導(dǎo)探測器目前處于實(shí)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(jìn)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(tuán)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(jìn)展：團(tuán)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(tuán)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(lǐng)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(yù)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(rèn)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(jī)遇。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)史保森教授、周志遠(yuǎn)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(xué)基金委、安徽省和電磁空間安全國家重點(diǎn)實(shí)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(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）