中国科大揭示集成光量子器件中单光子阻塞新原理

中国科大郭光灿院士团队在集成光子芯片量子器件的理论研究中取得重要进展。该团队邹长铃研究组提出了在单个光学模式中利用极弱的光学非线性实现光子阻塞的新原理和新方案，并分析了其在集成光学芯片上实现的实验可行性。相关成果以“Single-Mode Photon Blockade Enhanced by Bi-Tone Drive”为题于7月18日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

单光子之间的非线性相互作用是在室温下实现可扩展光量子信息处理的核心资源。然而，受限于材料的非线性极化率和光学损耗，在非线性光学系统中直接观测到单光子级的光子相互作用极为困难，因此传统的单光子产生方法主要依赖于概率性的参量下转换并需要较高的泵浦光功率。

邹长铃课题组近年致力于集成光子芯片量子器件研究。在集成芯片上，非线性光学效应能够通过微纳光学结构得到极大的增强。基于微腔增强的非线性光学效应，开展少光子、甚至单光子级的物理和应用研究。此前，于2020年提出了利用光子二阶非线性实现确定性、高保真度光子-光子量子相位门[Phys. Rev. Applied, 13, 044013 (2020)编辑推荐]，有望在室温下实现不需要原子、超导比特等元件的可扩展量子信息处理。

最近，国际上集成非线性光子学的实验研究取得了突飞猛进的发展，以铌酸锂、磷化铟镓等材料为代表的平台已经将光学模式的单光子非简谐度提升到了1%量级，提供了一种在室温下实现弱光量子效应的新途径。例如，通过多个微腔耦合构建多模量子干涉，或者以脉冲激光驱动单个微腔，可以实现单光子的阻塞效应，从而利用集成光子器件从相干激光中过滤出单个光子。但是，这些研究方案所需结构复杂，基于现有实验条件很难实现。此外，单模腔中动力学阻塞(dynamical blockade)的效果较差且物理机制尚不清楚。

图1.单模非线性光学腔中的光子阻塞

针对以上难题，研究组引入光子的频率自由度，提出在单个光学模式中利用两束连续激光控制其动力学演化。通过利用非线性腔对不同频率驱动的非均匀相应，在特定时间精准调控不同光子数态的布居数分布，高保真度地产生亚泊松量子统计光场。基于已报道的集成铌酸锂芯片的实验参数，研究者证明了该方案的实验可行性。审稿人一致认为，该研究引入了全新的物理机制(“the authors have introduced genuinely new physics”)，揭示了动力学光子阻塞的物理本质；在已报道的相关研究中是最简单的且消耗了最少的资源(“it can generate antibunched light with high fidelity and minimal requirements”)。

中国科学院量子信息重点实验室特任副研究员李明博士和张延磊博士为论文共同第一作者，邹长铃教授为通信作者。本研究得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的支持。

相关链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.043601