中國科學技術大學郭光燦院士團隊在中紅外線波段量子糾纏的製備與表徵研究中取得重要研究進展，該團隊史保森教授、週志遠副教授及其合作者首次製備了3微米中紅外線波段時間-能量糾纏光子對並演示了雙光子Hong-Ou-Mandel干涉。此成果以「Quantumentanglementandinterferenceat3μm」為題於3月6日在線發表在國際知名學術期刊《ScienceAdvances》上。
光量子資訊科技的發展離不開量子光場的產生、調控與偵測。儘管近紅外線波段（0.7um∽2.5um）相關技術的發展已相對成熟，但鮮有其它波段非經典光子對/單光子製備、調控和探測的工作報道。近年來，科學研究工作者開始逐步探索量子資訊在中紅外光譜領域應用的理論和實驗研究，發現中紅外線非經典光子源與傳統通訊、成像和感測技術相結合，可以產生新的通訊技術和探測、感知手段，這是因為：1.中紅外線波段覆蓋了幾乎所有物質分子的振動光譜，具有分子的「指紋」特徵，可用於物質成分鑑定和分析；2.中紅外線波段包涵多個重要的大氣通訊傳輸窗口，適合遠距離自由空間光通訊和遙感探測；3.溫度為115K∽1150K的黑體輻射中心波長在中紅外線波段，這為物體探測提供了一種有效的熱成像手段。
限制量子資訊技術向中紅外光譜領域拓展的關鍵因素是缺乏高靈敏的中紅外線探測器：基於半導體的中紅外線雪崩單光子探測器和超導探測器目前處於實驗室驗證階段，尚未商業化產品，且需要在極低溫下工作才能確保低噪音探測。一個有效的解決方案是利用量子頻譜遷移單光子探測技術，即透過非線性過程將中紅外線光子頻率轉變到可見光或近紅外線區域利用成熟的高性能矽單光子探測器進行探測（如圖1所示）。
圖1.量子頻譜遷移探測示意圖
近年來，研究團隊致力於中紅外線糾纏源的製備和表徵以及基於非線性頻率上轉換的探測研究，並取得了重要進展：團隊利用II類位相匹配的PPKTP晶體、通過簡併自發參量下轉換過程成功製備了3.08微米的中紅外線光子對，並結合團隊發展的高效非線性上轉換探測技術，透過Hong-Ou-Mandel（HOM）雙光子乾涉檢驗了雙子光子之間的非經典關聯，利用Franson干涉證明光子之間存在時間-能量糾纏（圖2）。
圖2.HOM干涉與時間-能量糾纏的表徵
該研究工作是中紅外線光子糾纏製備的第一個工作，對該領域的發展有重要影響。透過選擇合適的非線性晶體及其參數，結合非線性上轉換探測技術，原則上可以製備和表徵任意波長的中紅外線糾纏光子對。由於中紅外光譜具有分子的「指紋」特徵、包含大氣層的低損傳輸視窗以及與物體的熱輻射光譜重疊，因此可以預期中紅外線非經典光子源與傳統通訊、成像和感測技術的結合一定會為人們認知世界提供新技術和新方法，為量子資訊科技的發展帶來新機會。
中國科技大學史保森教授、週志遠副教授為本論文的共同通訊作者，博士研究生葛正、韓趙其智為本論文共同第一作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省和電磁空間安全國家重點實驗室開放基金的資助。
論文連結
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm7565
（中國科學院量子資訊重點實驗室、中國科學院量子資訊與量子科技創新研究院、物理學院、科學研究部）
（資料來源：中國科學技術大學）
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