高性能时间-能量纠缠光子源的研究

High data-rate quantum optical coding and optical quantum memories are important for the practical application of the quantum optical information technology, which rely on the development of the high performance energy-time entanglement. In this project, we plan to introduce the nonlinear optical microstructure material into the study of the novel energy-time entanglement. By the application of specifically designed integrated nonlinear optical devices and the study of the high-dimensional and narrowband energy-time entanglement in theory and experiment, efficient energy-time quantum coding and megahertz-level entangled light sources can be achieved. To achieve the accurate control on the spectrum of photonic entanglement, we are going to design the nonlinear optical microresonators and optical superlattices, with the application of both quasi-phase matching and cavity phase matching principles, via proper dispersion and mode control. The methods for investigation and application for the efficient energy-time entanglement is going to be developed by the design and realization of the measurement system for quantum interference. Several optical nonlinear microresonators and optical superlattices are going to be developed through this project, with new type of theory for high-dimensional energy-time entanglement. New technique route for the practical application for quantum information technology is going to be discovered by fulfilling the requirements from optical quantum memories.

高比特率光量子编码和光量子存储是光量子信息技术实用化的关键，它们的发展离不开新型高效的时间-能量纠缠的开发。本项目拟将非线性光学微结构材料引入到新型时间-能量纠缠源的研究中来，通过针对性设计集成化的新型非线性光学器件，从理论和实验上对高维和窄线宽的时间能量纠缠进行研究。综合运用准相位匹配和腔相位匹配原理，设计新型的非线性光学微腔和光学超晶格材料，结合材料色散控制和模式选择，来实现对于纠缠光子频谱上的精确调制。通过量子干涉系统的设计和搭建，发展合适于高效时间-能量纠缠的测量与应用方法。通过本项目实施，希望研制出若干种非线性光学微腔和光学超晶格材料，发展高维时间-能量纠缠的理论，并结合光量子存储技术的需求，为量子信息技术的实际应用提供全新的技术途径。

本项目围绕高性能时间-能量纠缠光源展开，主要研究光学微结构材料中的窄带双光子纠缠光源和高维时间-能量纠缠光源的制备、表征和应用，取得了以下进展：（1）设计制备了品质因子高达3.4×107光纤法布里-帕罗微腔，利用这一新型光学微腔和基于受激布里渊散射的“两步泵浦”法，实现了首个具有亚飞秒时间抖动、-180 dBc/Hz超低相噪的微腔“光子飞轮”，也为光子态的高效率时间-能量调控提供了新的方法。（2）将光学超晶格引入铌酸锂薄膜波导器件，实现了多路复用的能量-时间纠缠光子产生，亮度和光谱亮度分别达到2.79×1011 Hz/mW的超高光子对片上生成率和1.53×109 Hz/nm/mW，并在多个频率域内测到了高可见度的FRANSON干涉，证明了多路复用的能量-时间纠缠产生。（3）基于超小周期的光学超晶格波导和反向准相位匹配的自发参量下转换过程，成功制备了带宽7.1GHz的偏振纠缠光源。偏振纠缠违背贝尔不等式达18.5标准差。（4）基于镓铝砷微环实现了片上高维时间-能量纠缠的双光子产生，纠缠维度可达50以上。我们通过FRANSON干涉仪对其高维-时间能量纠缠进行表征，可以观测到在时间域周期性复现的FRANSON干涉，可见度均在97.6%以上。（5）以基于光学微结构材料的集成化纠缠光源为核心器件，实现了首个基于无人机移动平台的纠缠光子分发，并且能够在白天、小雨等多气象条件下正常工作。进而通过两架无人机实现了首个光学中继的纠缠光子分发，突破衍射限制实现低损耗、远距离的移动光量子链路。通过本项目实施，我们成功制备了多种高性能时间-能量纠缠光源，并对其量子特性进行了充分表征，展示了其广泛应用前景，相关工作发表于National Science Review、Physical Review Letters等高水平期刊。