利用光学超晶格产生高维双光子纠缠态的理论和实验研究

高维纠缠态对于检验量子力学的基本原理和推动当代量子信息工程发展有着重要意义，是当前量子光学领域的一个热门课题。本项目拟利用光学超晶格这种人工微结构材料制备高维双光子纠缠态，发展全新的基于准相位匹配高维纠缠态制备、测量和应用的理论和实验体系。具体技术路线是通过非线性系数的横向和纵向调节，设计一维周期、准周期和二维结构光学超晶格，利用微结构调控超晶格中泵浦光源的振幅分割，实现并行的多个参量下转换过程，制备出路径、角度及频率等多种希尔伯特空间的高维双光子纠缠态，并对产生的高维态进行纯态检验。项目还将研究高维态的Bell不等式测量，检验量子力学的非定域性，并探讨高维态如何提高量子保密通讯的安全性及在量子信息和量子计算领域的其他应用，取得一批具有源头创新性的理论和实验结果

本项目创新性的提出利用光学超晶格这种人工的非线性光学材料进行高维纠缠态的研究，建立了基于光学超晶格材料的高维纠缠态设计、制备、检测和应用的系统理论并进行相关实验。光学超晶格中特殊的多重准相位匹配功能使得多个参量下转换过程能够同时发生，设计不同的结构参数，就可以实现对纠缠光子偏振、频率、路径、输出角度等自由度的调控，产生高维纠缠态甚至几个自由度同时纠缠的混杂纠缠态，每一种高维纠缠态在时间或空间关联上都呈现出新奇的特性，在量子通信、量子精密测量、量子成像等领域都有一定的应用前景。主要的研究成果有：（1）双光子频率高维纠缠态：采用非周期光学超晶格来产生具有梳状频谱的纠缠光子对，该梳状频谱实际上是一种锁模的双光子态，光子对之间具有极窄的关联时间。当双光子频率梳的覆盖宽度与中心波长接近时，双光子关联会窄到飞秒量级，对应Hong-Ou-Mandel干涉会出现微米宽度的干涉谷。这种具有极窄关联时间的纠缠光子将在位置精密测量与计时、量子计量学以及量子相干层析和量子计算中有所应用；（2）双光子路径纠缠：采用多通道结构，可以得到双光子路径高维纠缠态，在远场和近场会显现出双光子干涉效果，这可以作为高维路径纠缠态的实验验证。进一步，我们还设计了一种每个通道相位呈二次型分布的结构，测得这种高维纠缠态在传播一定距离后会汇聚到一点，这就是双光子自聚焦效应。同时，由于该晶体的横向多通道结构特性，我们发现双光子聚焦具有多主轴效应和双光子分束效应。所以，该超晶格晶体实现了集纠缠光源产生、透镜以及分束器为一体的功能集成，为量子芯片的物理实现提供了一条新的技术途径。在此基础上,我们还利用这种抛物线型光学超晶格实现了一种新型的量子成像-无透镜量子“鬼”成像。此外，该项目还研究了光学超晶格对光子偏振、多光子路径纠缠以及偏振-频率-路径超纠缠的产生和调控作用，得到了系统的实验和理论结果，发表SCI论文14篇，其中Nature Commun.1篇，Phys. Rev. A 3篇，Opt. Express 3篇，Opt. Lett. 2篇，Appl. Phys.Lett. 1篇.