科研学术

　　7月6日，中国激光杂志社旗下“爱光学”微信公众号，发表了题为《亮点 | 新型宣布式单光子源方案，赋能量子科技》的文章，报道了我校基础与前沿研究院郭光灿院士和周强教授团队与中科院上海微系统所尤立星研究员合作的研究工作，该工作为新一期Photonics Research的Editor‘s Pick亮点成果。报道全文转载如下：

　　理想单光子源是新型的人造光源之一，其重要特征包括单次触发时有且仅有单个光子发射，每次发射的光子从各方面都无法看出差异。目前，单光子源作为量子科技发展所需的关键器件被广泛应用于量子保密通信等领域，主要通过衰减激光脉冲的方法来实现，但存在着“空脉冲”和“多光子”的限制。因此，研制该波段的理想单光子源仍是量子科技发展面临的严峻挑战。

　　宣布式单光子源是有望实现接近理想单光子源的技术方案，该方案利用“自发非线性光学过程中几率性输出关联（孪生）光子对”的物理基础，使用单光子探测器探测其中一个光子，得到预报电信号来宣布单光子的输出，由此大大减少“空脉冲”的情况。同时，人们已经验证此类单光子源具有很好的纯度和不可区分特性。

　　目前，宣布式单光子源已经成为量子光学与量子信息科学研究中的常用器件，进一步提升单光子产率是其发展重点。关键的技术思路是做“加法”，即复用，将多个宣布式单光子源复用至一个共同的端口进行输出，既保证优异的单光子纯度和不可区分特性，又提升单光子产率。

　　在挖掘关联（孪生）光子对的物理特性基础上，人们提出频分复用的技术路线，即将不同频率上的宣布式单光子复用到同一个频率上输出。这一路线从可扩展、小型化、器件化等方面评价，都具有重要价值，然而可片上集成的光纤通信波段频分复用宣布式单光子源还未见报道。

　　近日，电子科技大学郭光灿院士和周强教授团队与中科院上海微系统所尤立星研究员合作提出并原理验证了铌酸锂基片上频分复用宣布式单光子源方案，首次实现了光纤通信波段频分复用宣布式单光子产生，将该波段单光子的产率、纯度、不可区分性等综合指标提升到新的阶段。相关研究结果发表于Photonics Research 2022年第6期。

　　该团队提出的铌酸锂基片上频分复用宣布式单光子源的原理方案如图所示。该方案基于近年来迅猛发展的铌酸锂晶体薄膜（LNOI），提出可利用微纳光学工艺在LNOI上制作出周期极化波导、阵列波导光栅、光学延迟线、相位调制器、波导耦合单光子探测器等单元器件，进一步通过光电子引线键合工艺实现泵浦激光和频分复用移频装置的单片混合集成，便可实现片上频分复用宣布式单光子源。

铌酸锂基频分复用宣布式单光子源的方案示意图

　　为验证铌酸锂基频分复用宣布式单光子源方案的可行性，该团队基于分立铌酸锂器件进行了原理性实验论证。同时，他们基于周期极化铌酸锂波导模块、线性单光子移频铌酸锂器件，在光纤通信波段实现了三个频域模式上宣布式单光子的产生和复用。实现的频分复用宣布式单光子源在同等光子产率下，达到了迄今最高的单光子纯度。

　　同时，该团队首次实验测试了频分复用宣布式单光子的不可区分性，通过测试宣布式单光子与衰减激光脉冲间的Hong-Ou-Mandel干涉，证实了频分复用宣布式单光子具有很好的不可区分性。上述研究工作将进一步为频分复用宣布式单光子源在光量子信息技术中的应用打下坚实基础。

　　该工作的两位共同第一作者，余豪和袁晨智认为，“提出并验证的铌酸锂基宣布式光子源芯片在复用光子源数量的扩展上具有优势，结合下一代拥有更低损耗、更大带宽、更低电压等优点的光电子学器件，可将数十纳米频谱范围内的宣布式单光子源进行复用输出，实现无限接近理想单光子源的宣布式单光子源。”

　　周强教授表示，“得益于集成光电子学在材料、工艺和器件方面的不断进步，光量子信息技术正迎来新的技术飞跃，将持续赋能量子科技的产业化发展。”

　　该团队提出并原理验证了在铌酸锂薄膜上实现频分复用宣布式单光子源芯片的方案，为发展光纤通信波段的实用化单光子源开辟出一条新的道路。论文工作得到国家重点研发计划青年科学家项目、四川省重点研发计划项目、国家自然基金委面上项目等支持。

　　作者简介：

　　周强，电子科技大学教授，博士生导师。2006年本科毕业于电子科技大学光电信息学院（现光电科学与工程学院）；2011年于清华大学电子工程系获博士学位，同年进入电子科技大学任教。2011-2013年、 2014-2017分别在清华大学、加拿大卡尔加里大学从事量子信息科技方面的博士后研究工作。2017年至今任电子科技大学基础与前沿研究院郭光灿院士科研助理，负责信息与量子实验室建设；2017年至2019年在电子科技大学历任副研究员和研究员，2019年起聘为教授。2018年至今任国家重点研发青年科学家项目首席；2019年入选国家青年人才；2020年至今任173计划技术首席专家；2021年入选四川省青年人才。主要研究方向：量子光学与量子信息、量子互联网、量子通信与量子计算、集成光量子器件，现任《量子电子学报》编委委员、中国通信学会量子通信专委委员、中国光学学会终身会员、美国光学学会会员、IEEE会员；在Nature Photonics、CLEO等期刊和国际学术会议上发表论文100余篇，主持国家和省部级项目10余项。

　　袁晨智，电子科技大学博士后。2010年于西北工业大学电子信息学院获学士学位；2013年于西安交通大学电子科学与技术系获硕士学位；2019年于清华大学电子工程系获博士学位。2019年至今在电子科技大学信息与量子实验室从事博士后研究工作。主要研究方向：量子光源、量子光学、量子隐形传态，近年来发表学术论文10余篇，作为负责人主持国家自然科学基金、四川省重点研发计划等科研项目3项。

　　余豪，电子科技大学博士研究生在读。2018年本科毕业于华南师范大学信息光电子科技学院。现为电子科技大学基础与前沿研究院直博生。主要研究方向为量子光源与量子通信。2020年至今，在国家留学基金委（CSC）和电子科技大学的资助下，以联合培养博士生身份在加拿大国立科学研究院（INRS）学习。

　　论文链接：https://www.researching.cn/articles/OJ3a5efeefdd9908a8