中国科大在中红外波段量子纠缠的制备与表征方面取得重要进展

中国科学技术大学郭光灿院士团队在中红外波段量子纠缠的制备与表征研究中取得重要研究进展，该团队史保森教授、周志远副教授及其合作者首次制备了3微米中红外波段时间-能量纠缠光子对并演示了双光子Hong-Ou-Mandel干涉。该成果以“Quantumentanglementandinterferenceat3μm”为题于3月6日在线发表在国际知名学术期刊《Science Advances》上。

光量子信息技术的发展离不开量子光场的产生、调控与探测。尽管近红外波段（0.7um∽2.5um）相关技术的发展已相对成熟，但鲜有其它波段非经典光子对/单光子制备、调控和探测的工作报道。近年来，科研工作者开始逐步探索量子信息在中红外光谱领域应用的理论和实验研究，发现中红外非经典光子源与传统通信、成像和传感技术相结合，可以产生新的通信技术和探测、感知手段，这是因为：1.中红外波段覆盖了几乎所有物质分子的振动光谱，具有分子的“指纹”特征，可用于物质成分鉴定和分析；2.中红外波段包涵多个重要的大气通信传输窗口，适合远距离自由空间光通信和遥感探测；3.温度为115K∽1150K的黑体辐射中心波长在中红外波段，这为物体探测提供了一种有效的热成像手段。

制约量子信息技术向中红外光谱领域拓展的一个关键因素是缺乏高灵敏的中红外探测器：基于半导体的中红外雪崩单光子探测器和超导探测器目前处于实验室验证阶段，尚无商业化产品，且需要在极低温下工作才能保证低噪声探测。一个有效的解决方案是利用量子频谱迁移单光子探测技术，即通过非线性过程将中红外光子频率转变到可见光或近红外区域利用成熟的高性能硅单光子探测器进行探测（如图1所示）。

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图1.量子频谱迁移探测示意图

近年来，研究团队致力于中红外纠缠源的制备和表征以及基于非线性频率上转换的探测研究，并取得了重要进展：团队利用II类位相匹配的PPKTP晶体、通过简并自发参量下转换过程成功制备了3.08微米的中红外光子对，并结合团队发展的高效率非线性上转换探测技术，通过Hong-Ou-Mandel（HOM）双光子干涉检验了双子光子之间的非经典关联，利用Franson干涉证明光子之间存在时间-能量纠缠（图2）。

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图2. HOM干涉和时间-能量纠缠的表征

该研究工作是中红外光子纠缠制备的第一个工作，对该领域的发展具有重要影响。通过选择合适的非线性晶体及其参数，结合非线性上转换探测技术，原则上可以制备和表征任意波长的中红外纠缠光子对。由于中红外光谱具有分子的“指纹”特征、包含大气层的低损传输窗口以及与物体的热辐射光谱重叠，因此可以预期中红外非经典光子源与传统通信、成像和传感技术的结合一定会为人们认知世界提供新技术和新方法，为量子信息技术的发展带来新机遇。

中国科学技术大学史保森教授、周志远副教授为该论文的共同通讯作者，博士研究生葛正、韩赵其智为该论文共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省和电磁空间安全国家重点实验室开放基金的资助。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm7565