圖1. (a) 電泵浦偏振糾纏光子源實(shí)物圖;(b) 混合集成示意圖;(c) 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與光場(chǎng)模式分布;(d) 薄膜鈮酸鋰芯片掃描電鏡圖;(e) 雙通道PPLN波導(dǎo)電鏡圖;(f) 偏振旋轉(zhuǎn)合束器電鏡圖。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授潘建偉、張強(qiáng)等組成的研究團(tuán)隊(duì)與濟(jì)南量子技術(shù)研究院、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所等單位合作，通過(guò)混合集成分布式反饋激光器與薄膜鈮酸鋰光子芯片，成功實(shí)現(xiàn)了電泵浦、片上集成的高亮度偏振糾纏源，向集成化量子信息處理邁出重要一步。相關(guān)成果以“編輯推薦”的形式于12月16日發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。

糾纏量子光源是量子信息科學(xué)的核心資源之一，廣泛應(yīng)用于量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等領(lǐng)域。傳統(tǒng)糾纏光子源主要基于塊狀非線性晶體或波導(dǎo)，通常需要外加獨(dú)立激光器來(lái)實(shí)現(xiàn)光泵浦，這極大限制了糾纏源的集成度和可擴(kuò)展性。相對(duì)于光泵浦，電泵浦方案則通過(guò)片上直接注入電流實(shí)現(xiàn)非線性參量過(guò)程，避免了外置激光器的使用，從而提升糾纏源的集成度和擴(kuò)展性。近年來(lái)，盡管集成光子平臺(tái)如硅、氮化硅、鈮酸鋰等發(fā)展迅速，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)高亮度、高集成度的電泵浦糾纏光子源仍面臨挑戰(zhàn)。

中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用分布式反饋(DFB)激光器與薄膜鈮酸鋰(TFLN)光子芯片混合集成的方案，利用半導(dǎo)體所牛智川研究員團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的780nm波段DFB激光器，結(jié)合濟(jì)南量子技術(shù)研究院的集成化雙通道參量下轉(zhuǎn)換TFLN光子芯片，最終實(shí)現(xiàn)了高效的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換以及片上偏振糾纏態(tài)制備。其中，TFLN光子芯片集成了多模干涉分束器、雙通道周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)以及偏振旋轉(zhuǎn)合束器(詳見(jiàn)圖1)。通過(guò)直流或脈沖電信號(hào)泵浦(詳見(jiàn)圖2)，團(tuán)隊(duì)在室溫下實(shí)現(xiàn)了超高亮度的偏振糾纏光子對(duì)產(chǎn)生，亮度達(dá)到4.5×101?Hz/mW，帶寬達(dá)到73nm，該亮度較此前基于氮化硅平臺(tái)的電泵浦糾纏源提升了6個(gè)數(shù)量級(jí)，帶寬提升了1個(gè)數(shù)量級(jí)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該糾纏源在多個(gè)波長(zhǎng)信道下均表現(xiàn)出良好的貝爾態(tài)特性(保真度大于96%)，并具備寬帶復(fù)用能力，器件尺寸僅為15×20mm2，展現(xiàn)出優(yōu)異的集成度。該器件適用于波分復(fù)用的光纖網(wǎng)絡(luò)量子密鑰分發(fā)、基于衛(wèi)星的星地量子通信，以及基于糾纏的量子精密測(cè)量等應(yīng)用場(chǎng)景。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生焦旭峰和濟(jì)南量子技術(shù)研究院鄭名揚(yáng)研究員是本論文的共同第一作者。該工作得到科技部、基金委、山東省等部門(mén)的資助和支持。

審核編輯 黃宇