指尖上的量子光源：铌酸锂光子芯片研究新进展
量子信息技术是21世纪最具魅力的领域之一，它利用量子世界的叠加原理和纠缠特性使得信息处理在容量、速度和精度等方面展现出极大优势，将成为后摩尔时代的支撑技术。而这一技术的实用化还存在很大挑战，其中如何将量子器件芯片化，即在降低成本的同时提升芯片性能成为该领域的关键课题。 2 &+Nr+P
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最近，南京大学物理学院祝世宁院士科研小组实现了基于铌酸锂的首个量子光学芯片，将纠缠光子源、电光调制器、光子干涉仪等功能单元成功集成在同一块基于光学超晶格的铌酸锂光子芯片上，实现了纠缠光子产生和调控的一体化设计，完成了纠缠光子对聚束态和分离态的快速切换。 wm<` 0}
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图1 {0t -Q k
图1是芯片的内部结构图和外观照片。整个芯片分为三个区域，区域I是对经典抽运激光的处理，主要是对抽运光的分束和相位调制，区域II是畴反转区，也称光学超晶格区，将两路抽运光转化为简并的纠缠光子对，得到一个路径聚束态。区域III是对纠缠光子的处理，利用波导耦合器实现Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉以及对抽运光的滤波。 ^zs]cFN#%
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如果II区域产生的路径聚束态中两光路相位相同，那么该聚束态经由HOM干涉后得到分离态。对于具有相位差的一般路径聚束态，干涉后得到分离态和聚束态的叠加。该铌酸锂芯片可在室温稳定工作，工作电压仅为0-3.55V，调控速率可达40GHz，光学超晶格区光子对产率为1.1×107Hz nm-1 mW-1，是一个明亮的、可调控的芯片化量子光源，其基本指标与硅基光子芯片相比具有明显优势。该芯片输入输出与光纤头直接连接并固化，芯片尺寸5cm*5mm，稳定性高, 便于携带, 接近实用化。 wP: w8O
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这一工作是全固态量子芯片研究方面的重要进展, 是对铌酸锂量子逻辑门、量子模拟芯片研究的有力推动。该工作发表在物理评论快报(Phys. Rev. Lett. 113, 1036019(2014))，并作为亮点工作入选Editor’s suggestion和Physics 网站IEEE Spectrum专栏对该工作进行采访。 )A 6 eD
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