集成光量子器件中單光子阻塞新原理獲揭示

中國科學技術大學郭光燦院士團隊教授鄒長鈴研究組，提出了在單個光學模式中，利用極弱的光學非線性實現光子阻塞的新原理和新方案，并分析了其在集成光學芯片上實現的實驗可行性。相關成果日前發表在《物理評論快報》。

單模非線性光學腔中的光子阻塞 課題組供圖

單光子之間的非線性相互作用是在室溫下實現可擴展光量子信息處理的核心資源。然而，受限于材料的非線性極化率和光學損耗，在非線性光學系統中直接觀測到單光子級的光子相互作用極為困難，因此傳統的單光子產生方法主要依賴于概率性的參量下轉換，并需要較高的泵浦光功率。

鄒長鈴課題組近年致力于集成光子芯片量子器件研究。在集成芯片上，非線性光學效應能夠通過微納光學結構得到極大的增強。基于微腔增強的非線性光學效應，開展少光子、甚至單光子級的物理和應用研究。此前，于2020年提出了利用光子二階非線性實現確定性、高保真度光子-光子量子相位門，有望在室溫下實現不需要原子、超導比特等元件的可擴展量子信息處理。

最近，國際上集成非線性光子學的實驗研究取得突飛猛進的發展，以鈮酸鋰、磷化銦鎵等材料為代表的平臺已經將光學模式的單光子非簡諧度提升到了1%量級，提供了一種在室溫下實現弱光量子效應的新途徑。但是，這些研究方案所需結構復雜，基于現有實驗條件很難實現。此外，單模腔中動力學阻塞的效果較差且物理機制尚不清楚。

針對以上難題，研究組引入光子的頻率自由度，提出在單個光學模式中利用兩束連續激光控制其動力學演化。通過利用非線性腔對不同頻率驅動的非均勻相應，在特定時間精準調控不同光子數態的布居數分布，高保真度地產生亞泊松量子統計光場。基于已報道的集成鈮酸鋰芯片的實驗參數，研究者證明了該方案的實驗可行性。

審稿人一致認為，該研究引入了全新的物理機制，揭示了動力學光子阻塞的物理本質。在已報道的相關研究中是最簡單的且消耗了最少的資源。

相關論文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.043601