基于硅基微环谐振腔的量子光源理论和实验研究

Starting from the evolution of state vector in the interaction picture, we quantize the signal and the idler photons generated from the micro-ring resonator by considering the effect of cross-phase modulation, and give out the analytical solution of the interaction Hamiltonian. Meanwhile, the pump evolves under the action of self-phase modulation and two-photon absorption. We will present the model of a micro-ring resonator, solve the Schrodinger equation. Based on the perturbation theory and density matrix, we will obtain the analytical results of the biphoton wavefunction and the Schmidt number which is often used to verify the degree of entanglement. We will numerically study the influence of the self- and cross-phase modulation as well as nonlinear losses on the frequency characteristic of correlated photon pairs generated from a micro-ring resonator by spontaneous four wave mixing. The relation between the rate of biphoton and coupling coefficient will be investigated. Further, we will experimentally prepare and characterize micro-ring resonators with different coupling coefficients by varying the gap between the waveguide and the resonator. We will analyze the results qualitatively and quantitatively.

从相互作用绘景中态矢量的演化出发，对微环谐振腔中产生的信号和闲置光场作量子化处理，其中信号、闲置光场的量子化考虑交叉相位调制效应，泵浦光场考虑自相位调制及双光子吸收效应的影响，计算出具体的相互作用哈密顿量形式，建立微环谐振腔系统的模型理论，求解系统的薛定谔方程，并基于微扰理论和密度矩阵，从中获得关联光子对波函数及施密特数的解析形式。研究自相位调制、交叉相位调制、双光子吸收等非线性效应对微环谐振腔中自发四波混频过程产生的关联光子对的关联性质和纠缠度的影响；研究直波导和微环谐振腔之间的耦合强度对关联光子对产率和纠缠特性的影响，并通过改变直波导与谐振腔之间的间隙制备具有不同耦合强度的器件，分别从定性和定量的角度分析给出结论。

基于量子力学叠加原理和纠缠特性的量子信息处理使得信息处理在速度、容量和精度等方面展现出极大的优势，将成为后摩尔时代的支撑技术。在众多尝试实现量子信息处理的量子系统中，光子系统被认为是很有实现前景的系统之一，其中光量子器件的集成化、芯片化是光量子信息系统实用化的关键。本项目围绕量子光源制备、光子态调控展开，并展示其在量子通信、量子模拟和量子测量等领域的应用：（1）在量子通信方面，我们在商用网络中执行基于时域编码的层析协议，以表征南京大学两个校区之间已安装的商用光纤网络的特性。为了验证量子过程层析实验的可靠性，我们随后在连续12小时内进行连续的自主反馈控制的量子密钥分发的现场试验。实验获得平均量子误码率为0.25％，对比度为99.2％。该结果与量子过程层析结果非常吻合，说明量子过程层析技术可以成为将来校准量子光纤网络的标准方法。我们的研究结果为具有高性能的城域光纤量子网络铺平了道路。（2）在光量子态产生和调控方面，通过对芯片上光子的路径模式进行编码，实现多功能集成的有源光量子芯片。通过对三维纠缠量子态的操控，演示其在量子模拟、量子测量等方面的应用，为多体高维量子纠缠体系的片上制备与量子调控技术的应用提供了重要基础。