集成光量子器件中單光子阻塞新原理揭示

科技日報合肥7月21日電 （記者吳長鋒）記者21日從中國科學技術大學瞭解到，該校郭光燦院士團隊鄒長鈴研究組，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，並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國際期刊《物理評論快報》上。

單光子之間的非線性相互作用是在室温下實現可擴展光量子信息處理的核心資源。然而，受限於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於概率性的參量下轉換並需要較高的泵浦光功率。

最近，國際上集成非線性光子學的實驗研究取得了突飛猛進的發展，以鈮酸鋰、磷化銦鎵等材料為代表的平台已經將光學模式的單光子非簡諧度提升到了1%量級，提供了一種在室温下實現弱光量子效應的新途徑。例如，通過多個微腔耦合構建多模量子干涉，或者以脈衝激光驅動單個微腔，可以實現單光子的阻塞效應，從而利用集成光子器件從相干激光中過濾出單個光子。但是，這些研究方案所需結構複雜，基於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，在前期研究工作的基礎上，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佈，高保真度地產生亞泊松量子統計光場。基於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。