1 西南技术物理研究所 量子研究中心，四川 成都 610046
2 电子科技大学 基础与前沿研究院，四川 成都 611731
3 长春理工大学 高功率半导体激光器实验室，吉林 长春 130013
量子科技的发展多年来得到了光电技术的有力支撑，笔者团队由此进行了一系列光电量子器件的研究和开发。为在光纤量子通信中实现单光子信号的按需产生，笔者设计了几种微纳柱型光腔-量子点单光子源；发展了频分复用技术，研制了高纯度、高全同的宣布式单光子源；利用GaN缺陷的单光子特性，制备了室温量子随机数发生器。笔者优化周期极化铌酸锂的级联波导结构设计，大幅提升了通信波段量子纠缠光源性能，使保真度高于97%，噪声特性提高10倍；设计和制备Si3N4微环腔纠缠源器件，实现了99%的干涉可见度，展示了芯片集成量子光源的技术可行性；应用所制备的纠缠光源，实现了数十千米光纤基量子密钥分发和量子隐形传态。笔者发展了单光子探测器制造工程，研制了用于太阳光谱量子测量的低噪声高速雪崩单光子探测器和用于量子成像的128×32及以上规模的雪崩焦平面单光子探测器。笔者制备了光纤基量子存储器，实现了1 650个光子模式的有效存储；研究了光机械量子器件的原理机制，探索了纳米光机电系统用于量子精密测量的技术前景。希望以上综述为未来量子信息网络的发展提供研究参考和技术储备。
光电子学 量子器件 量子信息 单光子 量子纠缠 量子网络 optoelectronics quantum device quantum information single photon quantum entanglement quantum network 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230560
1 华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室 上海 200062
2 中国科学院超强激光科学卓越创新中心 上海 201800
3 山西大学 极端光学协同创新中心 山西 太原 030006
由于原子相干性可以增强光学非线性效应,基于原子系综的四波混频过程是产生压缩态和纠缠态的一项有前景的技术。光参量放大器中的相敏放大器的增益随输入信号相位的变化而变化,且相敏放大过程具有低噪声特性。因此,基于原子系综的相敏四波混频过程在实际应用中有着潜在的应用价值。本文介绍了基于原子系综的相敏四波混频过程的理论方案,概述了该系统输出光场的量子特性,综述了基于原子系综的相敏四波混频过程在实验上的应用,包括在双模相敏放大器中利用干涉诱导增强了量子压缩,对双模相敏放大器的相位进行操纵以实现两种类型的纠缠,以及用直接强度探测法测量明亮注入SU(1,1)干涉仪的相位灵敏度。
四波混频 相敏放大器 量子压缩 量子纠缠 four-wave mixing phase-sensitive amplifier quantum squeezing quantum entanglement 量子光学学报
2023, 29(2): 020001
华东师范大学 物理与电子科学学院 上海 200241
本文在理论上提出了一种由非线性分束器和线性合束器构成的量子混合干涉仪,其中非线性分束器是由非线性参量过程结合量子压缩源的线性相干反馈构成,用于提高量子混合干涉仪相位灵敏度。具体而言,光学参量放大输出的光束与量子压缩源线性反馈至输入端,获得一对纠缠度可控的双模压缩光束,结合线性合束器,构建反馈型量子混合干涉仪。结果表明,相比于无反馈量子混合干涉仪,本方案通过调节反馈强度至合适区间,可以在增加相敏光子数实现干涉信号强度提高的同时,增强两干涉臂之间纠缠度进而减小干涉噪声。此外,将压缩真空态作为反馈环结构的输入态,能够进一步降低探测信号的噪声。因此,本方案从以上三个方面有效地提升混合干涉仪的测量灵敏度,甚至在有损的情况下,相比于无反馈情形,该反馈型量子混合干涉仪仍具有更好的相位灵敏度,表现出更好的抗损能力,有望应用在量子精密测量领域。
相干反馈 量子纠缠 干涉仪 相位灵敏度 coherent feedback quantum entanglement interferometer phase sensitivity 量子光学学报
2023, 29(2): 020202
1 广东白云学院教育学院 广东 广州 510450
2 湖北师范大学物理与电子科学学院 湖北 黄石 435002
3 中国科学院量子信息重点实验室 安徽 合肥 230026
本文研究了具有两种三体相互作用的海森堡XXZ自旋链的量子相干与量子纠缠的特性。研究发现, 量子相干性不会出现突然死亡现象且非零量子相干性存在的温度范围大于量子纠缠存在的温度范围, 说明量子相干性相对于量子纠缠, 具有更强的鲁棒性。在量子临界环境中, 量子相干性可以表征本模型的量子相变现象。在铁磁情形中, 无论外磁场是否为0, 单独调控XZX+YZY三体相互作用对于减缓量子相干性的衰减速率与增大量子相干性存在的温度范围效果最好。在反铁磁情形中, 外磁场为0时, XZX+YZY与XZY-YZX两种三体相互作用的协同作用可以显著增加量子相干性的最大值, 并明显减缓其衰减速率。在铁磁情形与反铁磁情形中都发现当外磁场B<0时, 量子相干性存在的温度范围更大, 更有利于保存量子相干性。
量子光学 三体相互作用 量子相干 量子纠缠 quantum optics three-site interaction quantum coherence quantum entanglement 量子光学学报
2023, 29(1): 010102
1 重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065
2 移动通信教育部工程研究中心，重庆 400065
为了提高纠缠光量子成像效率，本文采用双步符合计数法快速获取目标成像信息，降低纠缠光量子成像的时间开销。首先，利用透镜和波片组合对激光器产生的泵浦光进行调制，提高周期极化磷酸氧钛钾（PPKTP）晶体自发参量下转换的效率；然后，通过数字微镜器件（DMD）选取测距区域，构造单光子时间脉冲序列差值；其次，利用该差值完成局部符合计数以得到信号和参考光路的延时差；再次，通过控制DMD选取成像区域，对单光子时间脉冲序列进行修正，并利用修正后的序列完成全局符合计数；最后，将符合计数值与灰度值进行映射，得到目标的量子图像。此外，通过与经典量子成像结果相比较，分析了目标距离、测距区域大小和单像素曝光时间对成像结果的影响，同时搭建了实际的量子成像光路以验证本文方法的有效性。
量子纠缠 量子成像 符合计数 数字微镜器件 成像效率 光学学报
2023, 43(20): 2027003
中国人民解放军战略支援部队信息工程大学地理空间信息学院，河南 郑州 450001
针对以往脉冲纠缠测距方案对光子损耗十分敏感的特点及量子干涉法测距中利用光路延迟测距时难以实现远距离传输的问题，利用量子压缩效应来提升时延估计精度，同时还提出一种基于量子照明原理的非经典纠缠导航测距方案，对目标存在的回波信号进行统计判断，从而确定距离参数。在相干探测的基础上，分别研究了相干态、热态和压缩态等3种高斯量子态的统计特性，并对量子照明测距方案中经典相干态与双模压缩真空态的信号检测性能进行了理论分析和数值模拟实验。结果表明，相较于传统测距方法，利用量子信号压缩和纠缠特性的方法能有效提高导航测距的距离分辨率，性能上优于经典方案，且在噪声光子数较多时具有更强的抗环境干扰能力。
量子光学 无线电导航 量子照明 量子纠缠 压缩态 脉冲测距
1 山西大学物理电子工程学院 山西 太原 030006
2 山西大学物理电子工程学院 山西 太原 030006山西大学光电研究所, 量子光学与光量子器件国家重点实验室 山西 太原 030006
量子导引相较于其他量子纠缠类型的优势在于它具有天然的不对称性, 可以实现单向、且一方设备不依赖的量子任务。本文研究了特殊条件下, 即力学振子的频率刚好是腔的自由光谱区的一半时, 由单泵浦的光力学系统中产生的三组份量子导引特性。研究结果表明: 力学模对两个光模的导引要强于光模对力学模的导引, 联合导引的能力要大于单个导引的能力, 且通过调节失谐量或温度可以实现力学模和光模之间的单向导引和双向导引之间的转换。该研究对于实现更安全的量子通信和构建多频率系统混合的量子网络具有一定的参考价值。
光力学系统 量子纠缠 量子导引 量子通信 optomechanical system quantum steering quantum entanglement quantum communication
菏泽学院物理与电子工程学院 山东 菏泽 274015
本文研究了由两个不同能级的原子与一个单模光场相互作用的系统, 在一原子处于基态而另一原子处于激发态的初始条件下, 得到系统态矢的演化。原子间的纠缠利用部分转置负本征值来研究, 并且分别讨论了偶偶相互作用和光子数对两原子间纠缠演化的影响。结果表明增加原子间的偶偶相互作用和减小光子数可使原子间的纠缠增强, 另外偶偶相互作用和光子数的增加均可使原子间的演化周期缩短, 这一研究有助于找到提升原子间纠缠的方法。
量子光学 量子纠缠 三能级原子 偶偶相互作用 quantum optics quantum entanglement three-level atom dipole-dipole interaction
近年来, 量子纠缠在量子通信、量子计算等方面得到广泛的应用, 因此制备高性能多样化的集成量子多组份纠缠源具有重要的研究意义。利用可调谐激光器泵浦氮化硅微环谐振腔, 在三阶非线性效应的作用下谐振腔内会发生四波混频现象, 产生信号光和闲置光。基于信号光和闲置光之间是否存在纠缠的纠缠判据, 计算出各组份信号光与闲置光之间的纠缠度。结果显示微环谐振腔可以产生八对双组份连续变量量子纠缠态。该纠缠源系统具有体积小、功耗低、易于集成的优势, 在集成光量子芯片领域中具有较重要的研究价值。
量子光学 量子纠缠 四波混频 量子通信 quantum optics quantum entanglement spontaneous four-wave mixing quantum communication
