量子光子对源不仅对提高我们对量子力学的基本认识至关重要，而且在量子技术的许多应用中也发挥着关键作用。与自由空间源相比，集成光子对源由于其紧凑性、可扩展性和稳定性而备受关注。例如，通过在单模波导或微环腔中使用非线性过程来证明路径或偏振纠缠光子对。除了这些自由度之外，多模光波导中的横模变得越来越具有吸引力，与单模光波导相比，横模在波长、色散和偏振调制方面显示出优势。它对于并行编码很有用，并且能够以更紧凑的方式对下一代光通信进行信息处理。另一方面，通过非线性光学介质，不同正交横模的光子相互作用，有利于波长转换，为更多的非线性作用打开了大门。

图1   样品示意图、光子对产生的概念和理论计算。a样品的示意图，包括模式调制器、多模波导和输出分析仪。b多模波导中光子对生成的概念。泵浦光子可以处于相同或不同的横向模式，产生的闲散光子和信号光子将处于多个横向模式组合。

集成纠缠光子对源是量子信息科学基础研究和实际应用的重要资源。近年来，横模已经应用于量子光子学，如在一个多模波导中实现量子干涉和路径、横模和偏振之间的进行片上纠缠转换。目前有几种类型的纠缠，其中横模纠缠由于其独特的优点而越来越具有吸引力。在少模光纤和周期极化KTIOPO4多模波导中，也有一些工作证明了多模光子对的产生。这种多模波导中的横模光子对可以扩展到更高尺寸的纠缠态，因此有利于高效的量子逻辑门和抗噪声通信。此外，横向模纠缠可以相干转换为路径和偏振纠缠，这表明了同时控制光子多自由度并实现芯片级超纠缠态。到目前为止，片上横模纠缠光子对源还没有得到证实。

图2  实验装置和测量结果的示意图。a放大后的连续波激光器通过光纤阵列与器件耦合，两个DWDM用于将闲散光子、信号光子和泵浦光子分离到不同的频率。b，c分别来自端口TE0和TE1的信号光子和闲散光子的连续发射光谱。通过40通道DWDM系统对光谱进行滤波，相关光子对的频率与中心泵浦频率等分。d-g不同横模组合下光子对的符合测量。实曲线是图1d中相应的理论结果。

近日中国科技大学的研究人员对多模硅纳米光子波导中的自发四波混频（SFWM）过程进行了深入研究，首次实现了片上横模纠缠光子对源。在~2THz的带宽内在多个频率信道上验证横模光子对，通过调整泵浦光不同横模模式之间的能量比和相位差，得到了净保真度为0.96±0.01的最大横模纠缠贝尔态。这种纠缠光子对源是基于横模的量子光子学的关键元件，也有可能扩展到更高维的希尔伯特空间。此外，横向模纠缠可以相干地转换为路径和偏振纠缠，为实现具有多自由度的高复杂量子光子电路铺平了道路。该协议可以明确地推广到具有更多横向模式的高维纠缠光子对源的情况，从而显示出实现高维多自由度复杂量子态的潜力。相关内容以《On-chip transverse-mode entangled photon pair source》为题发表在《npi | Quantum Information》杂志上。

 
图3  通过层析成像对频率通道±2中的光子对进行量子态表征。a量子态层析成像的实验装置。从DWDM输出的信号和闲散光子的偏振由光纤偏振控制器（FPC）控制。对四分之一波片（QWP）、半波片（HWP）和偏振分束器（PBS）进行了调谐，测量了信号与闲散光子以及量子态层析成像的符合性。b量子态可以用它的密度矩阵描述。

来源： npi | Quantum Information

本文受译者委托，享有该文的专有出版权，其他出版单位或网站如需转载，请与本站联系，联系email:：mail#opticsjournal.net。(为防止垃圾邮件，请将#换为@)否则，本站将保留进一步采取法律手段的权利。