光学超晶格中纠缠光子的制备、调控、探测和应用研究

光学超晶格是一种多功能人工非线性光学材料，也是一种新型纠缠光子源，它.能通过自发参量下转换，高效地产生纠缠光子，被应用于量子信息领域研究。近年来我们应.用畴工程方法研制出不同微结构的光学超晶格，开拓了通过微结构实现对纠缠光子调控的新领域。本项目拟将准相位和多重准相位匹配原理应用于纠缠光子的产生和调控，制备常规非线性晶体不能实现的特殊波长、特殊波前以及具有特殊频率（时间）、空间（动量）以及偏振关联行为的新型纠缠光子态，并以此为基础构建不同类型单光子态、多光子态等其它量子态，研究其中新量子效应，探究物理本质，并探索在量子信息中的可能应用。由于铁电畴微结构本身可以对光实施线性调控，本项目还将致力于利用铁电畴结构实现光栅、透镜、分束等线性光学元件的功能，实现对纠缠光子路径、偏振、相位等的精确调控，通过微结构的集成完成功能集成，将超晶格发展成兼具光源产生和量子信息处理功能的小型、集成化器件。

量子光源一直是量子通信以及量子计算等领域的核心资源，高品质的各种量子光源以及新型纠缠光源一直是人们研究的重点和热点。本项目就是基于光学超晶格材料来制备多种新型量子态，并进行基本的刻画和应用研究。光学超晶格是一种特殊的人工非线性晶体，特别是铌酸锂光学超晶格具有高非线性系数、快速电光调制以及任意准相位匹配设计等优点，使得纠缠光子的产生具有高效、波长可设计、集成化以及可调控等多种优点。本项目的研究结果分为这几部分：1、利用准相位匹配技术，设计了具有特殊倒格矢分布的光学超晶格结构，研究了光学超晶格对光子频率、路径、偏振、动量等多个自由度的单独调控和同时调控，制备了多种高效的新型纠缠源以及高维纠缠源或几个自由度同时纠缠的超纠缠源，这对于提升量子通信的容量或者量子计算的能力很有意义。2、研究光学超晶格中铁电畴调控对量子态调控的功能集成。由于铁电畴的结构可以人为设计，在纵向和横向带来更多的自由度，使得多个参量下转换过程可以同时发生，给光子频谱、偏振、路径等调控带来全新的特征，能够直接产生一些高品质的纠缠态，而无需在晶体后面进行后续操作。3、将材料体系成功拓展到光学超晶格波导体系，成功制备了首个铌酸锂光子芯片，实现芯片上量子光源的产生和操控，提高了量子芯片的集成度，研制出高亮度、高稳定性、可控、便携的芯片化路径纠缠源。该项结果为其他类型量子态以及多功能量子芯片的制备打下坚实基础。项目提出和制备的量子态在量子通信领域和量子计算领域都有重要意义。而量子芯片的研究成果则是项目的额外拓展，这项成果成功的将纠缠源的集成度和品质进一步提升，成为下一代量子光源制备的优良选择，无论对于项目本身还是今后研究内容拓展都很有意义。项目执行期间，共发表SCI论文14篇，其中PRL论文2篇，PRA论文5篇，主要成果获“饶毓泰基础光学奖”二等奖1项，获得激光杂志社“中国光学重要成果”1项，量子芯片设计新颖独特，申请了美国和中国专利各1项。项目负责人入选美国光学学会会士。项目主要成员获得国家自然科学优秀青年科学基金1项，获得教育部“新世纪优秀人才支持计划”1项。项目执行期间，培养了 8名博士生和2名说硕士研究生，其中9人已经答辩，其中一位博士生的学位论文入选南京大学优秀博士论文以及江苏省优秀博士论文。