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[转载]【研究进展】山西大学郑耀辉课题组：迈向多功能实用化的连续变量量子光源

已有 3712 次阅读 2020-11-26 19:13 |系统分类:科研笔记|文章来源:转载

迈向多功能实用化的连续变量量子光源

Linran Fan

Wyant College of Optical Sciences, University of Arizona

Tucson, AZ, 85718, USA

连续变量非经典光场是重要的量子光源，也是推动量子光学前沿发展的首要驱动力之一[1]。近年来，随着量子信息科学的迅速发展，连续变量非经典光场的研究进入了一个新的阶段，其研究目标不仅仅局限于原理验证，还着重于实际应用[2,3]。一个突出的例子就是激光干涉引力波天文台（LIGO）[4]，利用压缩态光场或者其纠缠的边带光场可以增强激光干涉仪的测量灵敏度（图1）。

此外，许多相关研究也正在进行，例如利用压缩态光场产生大尺度团簇态，这是光量子信息处理的一个重要资源[5,6]。这种团簇态对量子计算和量子网络都有深远的影响，并且与其他概率性方法相比，由于产生过程的确定性，使得基于连续变量非经典光场的方法具有明显优势。

图1 量子增强引力波探测.

连续变量非经典光场是一种对损耗和相位起伏非常敏感的量子资源，因此需要专用的装置和器件设备来制备。由于应用不同，如量子传感和制备团簇态，对非经典光场的要求有很大的不同，必须针对不同需求设计制造不同的装置和器件设备。灵活性的缺失极大地限制了基于连续变量非经典光场的量子技术的发展。目前，通过改变非线性晶体温度来改变相位匹配条件或者改变输入光的偏振态，可以实现使用同一个设备制备不同类型的非经典光场，但仍然要求每次只能使用一种类型的非经典光场[7-9]。

最近，山西大学光电研究所郑耀辉课题组成功实现了一种可“同时产生基带压缩态光场和EPR纠缠态光场”的量子光源[10]。两种不同的量子资源可以同时应用于不同的需求场景，并且无需进行额外的切换操作。该装置基于OPO腔的光学参量下转换过程，具有广泛的相位匹配带宽(图2)。利用OPO腔的不同本征频率模式，通过高分辨率、低损耗的高性能光学滤波腔，他们直接获得了高质量的基带压缩态和强量子关联的EPR纠缠态（图3,4）。这项工作是向多功能量子资源迈出的关键一步，将极大地促进基于压缩态光场或纠缠态光场的量子技术的发展。

图2 多功能连续变量量子光源装置图. 基于单个光学参量腔，利用光学滤波腔，同时产生基带压缩态光场和边带EPR纠缠态光场.

图3 基带压缩态光场实测结果.

图4 边带EPR纠缠态实测结果.

References

1. U. L. Andersen, T. Gehring, C. Marquardt, and G. Leuchs, 30 years of squeezed light generation, Phys. Scr. 91, 053001 (2016)

2. C. Weedbrook, S. Pirandola, R. Garcia-Patron, N. J. Cerf, T. C. Ralph, J. H. Shapiro, and S. Lloyd, Gaussian quantum information, Rev. Mod. Phys. 84, 621 (2012)

3. J. Aasi, J. Abadie, B. P. Abbott, R. Abbott, T. D. Abbott, et al., Enhanced sensitivity of the LIGO gravitational wave detector by using squeezed states of light, Nat. Photonics 7(8), 613 (2013)

4. B. P. Abbott, et al. (The LIGO Scientific Collaboration, the Virgo Collaboration), Observation of gravitational waves from a binary black hole merger, Phys. Rev. Lett. 116, 061102 (2016)

5. M. Chen, N. C. Menicucci, and O. Pfiste, Experimental realization of multipartite entanglement of 60 modes of a quantum optical frequency comb, Phys. Rev. Lett. 112(12),120505 (2014)

6. S. Yokoyama, R. Ukai, S. C. Armstrong, C. Sornphiphatphong, T. Kaji, S. Suzuki, J. Yoshikawa, H. Yonezawa, N. C. Menicucci, and A. Furusawa, Ultra-large-scale continuous-variable cluster states multiplexed in the time domain, Nat. Photonics 7(12), 982 (2013)

7. H. J. Lee, H. Kim, M. Cha, and H. S. Moon, Simultaneous type-0 and type-II spontaneous parametric down-conversions in a single periodically poled KTiOPO4 crystal, Appl. Phys. B 108(3), 585 (2012)

8. M. Pysher, A. Bahabad, P. Peng, A. Arie, and O. Pfister, Quasi-phase-matched concurrent nonlinearities in periodically poled KTiOPO4 for quantum computing over the optical frequency comb, Opt. Lett. 35(4), 565 (2010)

9. M. Huo, J. Qin, Z. Yan, X. Jia, and K. Peng, Generation of two types of nonclassical optical states using an optical parametric oscillator with a PPKTP crystal, Appl. Phys. Lett. 109, 221101 (2016)

10. L. Tian, S. P. Shi, Y. H. Tian, Y. J. Wang, Y. H. Zheng, and K. C. Peng, Resource reduction for simultaneous generation of two types of continuous variable nonclassicalstates, Front. Phys. 16(2), 21502(2021)

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1. Long Tian, Shao-Ping Shi, Yu-Hang Tian, Ya-Jun Wang, Yao-Hui Zheng, and Kun-Chi Peng, Resource reduction for simultaneous generation of two types of continuous variable nonclassical states, Front. Phys. 16(2), 21502 (2021)

2. Linran Fan, Squeezed light goes flexible, Front. Phys. 16(2), 21501 (2021)