利用薄膜铌酸锂调制器实现了片上单光子频率偏移和带宽压缩

导读

光子作为一种常见的量子信息载体，在量子科学和技术中起到了关键作用。相较于电信号，光的一个特殊优势在于它有极大的带宽。每个光子可以有不同的颜色（也就是频率）和频域形态。操控它们对量子信息有重要意义。但是，量子光谱操控是一个极难的任务，因为改变光子的频率意味着改变它的能量。

而在集成光子芯片上完成这个任务更是难上加难。近日，哈佛大学MarkoLončar团队利用薄膜铌酸锂调制器实现了片上单光子频率偏移和带宽压缩。这一研究对片上量子光谱操控有重要意义，对量子计算、量子通讯和网络有着实际应用前景。

图一：通过薄膜铌酸锂集成电光调制器改变单光子颜色

背景和原理

时间和频率是不可分割的。光同时有波动性和粒子性。作为波，它的相位随着时间在进行周期性的变化，而这个变化的速度就是光的频率， 而它也决定了光的颜色。

如图2所示，给一个光子施加一个随着时间线性变化的相位就像在加速或者减慢它的震动。这样就直接导致了该光子的频率变化。类似的，如果我们给一个光子施加非线性相位变化，光子就像看到了一个时间上弯曲的透镜，它的频率形态就可以被压缩或者展宽。

图二：动态相位调制可以控制光子频率和带宽

此类基于电光调制的光谱控制已被广泛应用于超快光学中。但它们在集成芯片上却很少被展示，尤其在量子领域。这是因为施加动态相位需要一个重要的器件—电光相位调制器。然而，主流集成光学材料，比如硅和氮化硅，缺乏电光性质，从而无法实现高速、低损耗电光调制。

近年来，薄膜铌酸锂逐渐成为一种新型集成光学材料。此材料有良好的的非线性和电光效应，非常适于量子和非线性应用。此前基于此平台研发出了远超传统器件的高性能电光调制器。这些调制器具有体积小，带宽高，低电压等优势。

近日，研究者引用“双通”的新设计 （图一）进一步优化了薄膜铌酸锂相位调制器，使其高频半波电压大大降低。此器件让研究者得以高效控制单光子频率，用千兆赫兹微波调制实现太赫兹光子频率偏移。此外，研究者还使用时间透镜原理展示了单光子带宽压缩。

实验过程和结果

在实验中，研究人员首先产生脉冲孪生光子对 (红外波段)，然后将它们分开，取其中的一个光子并让其通过集成调制器。通过在调制器上施加正弦微波信号并且将其与光子同步（图三），研究人员完成了高达±641 GHz的频率偏移。这是现有基于电调控的最大的单光子频率偏移。

图三：单光子频率偏移。当光子被同步到调制信号上升沿时，光子会产生蓝移；反之会产生红移

为了验证这个方法能保留光子的其他量子性质，研究人员进一步进行了Hong-Ou-Mandel (HOM) 干涉实验。HOM干涉是指当两个完全一样的光子在一个分光镜相遇，它们一定会从同一个出口出来。当两个光子颜色不同时， 它们无法产生干涉现象。

然而，当实验者对其中一个光子施加频率调控后，这两个光子变成了同样的颜色，从而产生了高可见度量子干涉（图四）。此实验验证了该操控方法适用于量子应用。

图四：通过频率调控可以让两个不同颜色的单光子发生量子干涉

此外，研究人员使用同一个调制器，利用时间透镜的原理，展示了单光子带宽压缩。通过给光子施加合适的色散，并将它同步到调制信号的波谷，实验者将一个6.55 nm带宽的单光子压缩到了0.35 nm，超过18 倍压缩率。

图五：同样的集成电光调制器可以实现时间透镜从而压缩单光子带宽

对单光子的频谱操控在量子网络中有着重要意义。这是因为不同的量子光源或者量子储存器往往有不同的频率和带宽。如果想要连接它们并达到高效信息交换，它们的频率和带宽必须同步。

总结和展望

在这项工作中，研究人员利用新型薄膜铌酸锂调制器完成了创纪录的片上单光子频率操控。该器件体积小、性能高。最重要的是，它能高密度地和其它重要器件（例如单光子源，单光子探测器，微腔等）集成在同一个芯片上，从而完成更复杂和有挑战性的量子操控。后续研究者将进一步开展频域量子信息处理的研究，并且探索它们在量子计算和量子网络的相关应用。

审核编辑：刘清