基于铌酸锂芯片的量子光源

Among the numerous quantum systems proposed for implementing quantum information processing，photon systems are prominent candidates. Many breakthroughs on the quantum information processing have been achieved by photons, such as quantum computation, quantum simulation and quantum teleportation. However, there are also constraints on the photon-based quantum information processing in traditional space optical circuits. Therefore, for further scalable quantum information processing, all the optical components need to be integrated on chip. The photonic integrated circuits can greatly save the material, spaces and less power consumption. In addition, the quantum chip made of solid material are more stable, enable further scalable quantum information processing. This project mainly devotes to the integrated quantum photon source using the lithium niobate chip. We will fabricate the lithium niobate waveguide and microcavity with quasi-phase-matching using the femtosecond vector fields. The new quantum effects in the lithium niobate coupled waveguide and microcavity will be studied for the realization of the narrow band single photon source and high dimensional entanglement on chip.

在众多量子信息体系中，光子被认为是很有发展前景的信息载体，基于光量子态的信息处理研究已取得了许多突破性进展。然而，传统光学元件尺寸较大且光路易受环境影响，限制了光量子信息处理的扩展。光学量子芯片具有性能稳定、能耗更小、可扩展性强等优点，是未来的必然发展趋势。作为量子系统的源头，实用可靠的集成量子光源成为了最重要的研究内容之一。本项目提出利用铌酸锂芯片实现集成量子光源：基于铌酸锂薄膜和半导体工艺，制备铌酸锂纳米波导和光学微腔等结构，并掌握其关键技术；结合飞秒矢量光场激光直写平台，实现准相位匹配周期结构；研究铌酸锂微结构中的新颖量子效应并探索其物理机理；探求集成量子光源的新方案，实现高效的窄线宽单光子源和多维纠缠源。

量子信息是目前最前沿的研究领域之一。随着光量子信息科学的发展，现有量子光源制备方案在提高纠缠维度和纠缠光子数方面都面临着光学系统复杂、可集成度低、稳定性差等问题，制约着光量子信息朝着大规模集成方向发展，因此，集成量子光源成为了最重要的研究内容之一。本项目主要围绕铌酸锂光子芯片的制备和应用展开，在设计和搭建新型空间结构光场的基础上，实现了焦场的线性和非线性控制，为可控的飞秒微加工提供技术支持；基于微加工技术制备了高品质铌酸锂微腔并实现了高效非线性频率变换；利用飞秒激光在铌酸锂波导中写制了周期极化结构，并实现了关联光子对。同时，提出了高维量子纠缠渐近锁定层析方法，实现了8维量子类贝尔态的完全区分，为下一步开展集成量子光学及高维纠缠研究奠定了良好的基础。项目执行期间，共发表SCI论文25篇，申请国家发明专利2项。培养毕业博士研究生3人，毕业硕士研究生5人。