中國科大在集成光子芯片上實現人工合成非線性效應

  中國科學技術大學郭光燦院士團隊在集成光子芯片量子器件的研究中取得重要進展。該團隊鄒長鈴、李明研究組提出人工合成光學非線性過程的通用方法，在集成芯片微腔中實驗觀測到高效率的合成高階非線性過程，并展示了其在跨波段量子糾纏光源中的應用潛力。相關成果以“Synthetic five-wave mixing in an integrated microcavity for visible-telecom entanglement generation”為題于10月20日在線發表于國際學術期刊《自然·通訊》上。

  自激光問世以來，非線性光學效應已經被廣泛應用于光學成像、光學傳感、頻率轉換和精密光譜等領域中。對于新興的量子信息處理來說，它也是實現量子糾纏光源以及量子邏輯門操作的核心元素。然而受限于材料非線性極化率隨階數呈指數衰減這一本征屬性，人們對光學非線性的應用主要局限于二階和三階過程，多個光子同時參與的高階過程很少被研究。一方面，低階過程限制了傳統非線性與光量子器件的性能，比如量子光源的可擴展性；另一方面，人們也好奇高階非線性過程所蘊含的新穎非線性與量子物理現象。

  利用集成光子芯片上的微納光學結構可以增強光子間的非線性相互作用，這已經成為目前國際上集成光學與非線性光學方向的研究熱點。鄒長鈴研究組李明等人長期致力于集成光子芯片量子器件的研究，開拓微腔增強的非線性光子學，提出并證實了微腔內多種非線性過程的協同效應[PRL 126, 133601 (2021); PRA 98, 013854 (2018)]，開辟了室溫下少光子、甚至單光子級的量子器件的新途徑[PRL 129, 043601 (2022); PRApplied 13, 044013 (2020)]?，F階段，該研究組已經能夠將非線性相互作用強度隨階次的衰減速率從10-10提升到10-5。即使如此，在集成光子芯片上實驗觀測到階次大于三的高效率非線性效應依然極具挑戰。

  針對該難題，李明等人另辟蹊徑，提出一種新穎的非線性過程人工合成理論，即利用材料固有的較強的二階、三階等低階效應，通過人工調控多個低階過程級聯形成的非線性光學網絡來實現任意形式、任意階次的光子非線性相互作用。這種方法避免了在原子尺度去修飾材料的非線性響應，而僅需要控制微納器件的幾何結構就可實現高效率、可重構的高階非線性過程。

  利用集成的氮化鋁光學微腔，該團隊在實驗上同時操控二階的和頻過程和三階的四波混頻過程，合成了更高階的四階非線性過程。實驗證明，該人工合成的過程比材料固有的四階非線性效應強500倍以上。如果進一步提升微腔的品質因子，該增強倍數可達1000萬以上。

  圖1.人工合成非線性五波混頻示意圖

  該團隊將人工合成的四階非線性應用于產生跨可見-通信波段的量子糾纏光源。通過測量跨波段光子間的時間-能量糾纏驗證了人工合成過程的相干性。相比于傳統跨波段量子糾纏光源的產生方法，該工作極大降低了相位匹配的困難，并且僅需要通信波段單一泵浦激光，展現了人工合成非線性過程的優勢和應用潛力。審稿人高度肯定了該工作的創新性（“it should be published in Nature communication for its innovation qualities）。

  中國科學院量子信息重點實驗室博士研究生王家齊、楊元昊為論文的共同第一作者，李明副研究員、鄒長鈴教授為論文通訊作者。本研究得到了國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金以及中央高?；究蒲袠I務費的支持。

  論文鏈接：

  https://www.nature.com/articles/s41467-022-33914-5