光學超晶格中糾纏光子的製備、調控、探測和套用研究

《光學超晶格中糾纏光子的製備、調控、探測和套用研究》是依託南京大學，由祝世寧擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：光學超晶格中糾纏光子的製備、調控、探測和套用研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：祝世寧
• 依託單位：南京大學

項目摘要

光學超晶格是一種多功能人工非線性光學材料，也是一種新型糾纏光子源，它.能通過自發參量下轉換，高效地產生糾纏光子，被套用於量子信息領域研究。近年來我們應.用疇工程方法研製出不同微結構的光學超晶格，開拓了通過微結構實現對糾纏光子調控的新領域。本項目擬將準相位和多重準相位匹配原理套用於糾纏光子的產生和調控，製備常規非線性晶體不能實現的特殊波長、特殊波前以及具有特殊頻率（時間）、空間（動量）以及偏振關聯行為的新型糾纏光子態，並以此為基礎構建不同類型單光子態、多光子態等其它量子態，研究其中新量子效應，探究物理本質，並探索在量子信息中的可能套用。由於鐵電疇微結構本身可以對光實施線性調控，本項目還將致力於利用鐵電疇結構實現光柵、透鏡、分束等線性光學元件的功能，實現對糾纏光子路徑、偏振、相位等的精確調控，通過微結構的集成完成功能集成，將超晶格發展成兼具光源產生和量子信息處理功能的小型、集成化器件。

結題摘要

量子光源一直是量子通信以及量子計算等領域的核心資源，高品質的各種量子光源以及新型糾纏光源一直是人們研究的重點和熱點。本項目就是基於光學超晶格材料來製備多種新型量子態，並進行基本的刻畫和套用研究。光學超晶格是一種特殊的人工非線性晶體，特別是鈮酸鋰光學超晶格具有高非線性係數、快速電光調製以及任意準相位匹配設計等優點，使得糾纏光子的產生具有高效、波長可設計、集成化以及可調控等多種優點。本項目的研究結果分為這幾部分：1、利用準相位匹配技術，設計了具有特殊倒格矢分布的光學超晶格結構，研究了光學超晶格對光子頻率、路徑、偏振、動量等多個自由度的單獨調控和同時調控，製備了多種高效的新型糾纏源以及高維糾纏源或幾個自由度同時糾纏的超糾纏源，這對於提升量子通信的容量或者量子計算的能力很有意義。2、研究光學超晶格中鐵電疇調控對量子態調控的功能集成。由於鐵電疇的結構可以人為設計，在縱向和橫向帶來更多的自由度，使得多個參量下轉換過程可以同時發生，給光子頻譜、偏振、路徑等調控帶來全新的特徵，能夠直接產生一些高品質的糾纏態，而無需在晶體後面進行後續操作。3、將材料體系成功拓展到光學超晶格波導體系，成功製備了首個鈮酸鋰光子晶片，實現晶片上量子光源的產生和操控，提高了量子晶片的集成度，研製出高亮度、高穩定性、可控、便攜的晶片化路徑糾纏源。該項結果為其他類型量子態以及多功能量子晶片的製備打下堅實基礎。項目提出和製備的量子態在量子通信領域和量子計算領域都有重要意義。而量子晶片的研究成果則是項目的額外拓展，這項成果成功的將糾纏源的集成度和品質進一步提升，成為下一代量子光源製備的優良選擇，無論對於項目本身還是今後研究內容拓展都很有意義。項目執行期間，共發表SCI論文14篇，其中PRL論文2篇，PRA論文5篇，主要成果獲“饒毓泰基礎光學獎”二等獎1項，獲得雷射雜誌社“中國光學重要成果”1項，量子晶片設計新穎獨特，申請了美國和中國專利各1項。項目負責人入選美國光學學會會士。項目主要成員獲得國家自然科學優秀青年科學基金1項，獲得教育部“新世紀優秀人才支持計畫”1項。項目執行期間，培養了 8名博士生和2名說碩士研究生，其中9人已經答辯，其中一位博士生的學位論文入選南京大學優秀博士論文以及江蘇省優秀博士論文。