基于PPLN波导芯片的相干光子接口的实验研究

Photons are critical to quantum technologies because they can be used for virtually all quantum information tasks, for example, in quantum metrology, as the information carrier in photonic quantum computation, as a mediator in hybrid systems, and to establish long-distance networks. The physical characteristics of photons in these applications differ drastically; spectral bandwidths span 12 orders of magnitude from 50 THz for quantum-optical coherence tomography to 50 Hz for certain quantum memories. Combining these technologies requires coherent interfaces that reversibly map centre frequencies and bandwidths of photons to avoid excessive loss. The project aims to develop the chirped technology of low-noise and high-efficiency，using a periodically poled lithium niobate (PPLN) waveguide chip, to perform bandwidth compression of single photons by a factor of 140 and arbitrary waveform generation for single photons, and to pave the way for the realization of coherent photonic interfaces between quantum communication at 1550 nm and quantum memory in the near-visible window.

光子对于量子技术是至关重要的，因为它们可以用于几乎所有的量子信息任务，例如在量子计量学中，作为光子量子计算中的信息载体，作为混合系统中的介体，以及在建立长距离量子网络中的应用。这些应用中的光子的物理特性明显不同，光谱带宽需要跨度12个数量级，即从用于量子光学相干层析的50THz到用于某些量子存储的50Hz。解决上述问题的关键技术就是研制出可逆地映射光子的中心频率和带宽的相干接口，以避免过多的损失。本项目计划发展低噪声和高效率的啁啾技术，利用周期性极化的铌酸锂（PPLN）波导芯片实验上实现单光子的频率转换、任意波形产生、以及带宽压缩140倍以上的相干光子接口，并将其应用到远程的量子通信当中，为1550 nm的量子通信与近可见光波段的量子存储的可逆转换的实现提供理论依据和实验指导。

光子对于量子技术是至关重要的，因为它们可以用于几乎所有的量子信息任务，例如在量子计量学中，作为光子量子计算中的信息载体，作为混合系统中的介体，以及在建立长距离量子网络中的应用。这些应用中的光子的物理特性明显不同，光谱带宽需要跨度12个数量级，即从用于量子光学相干层析的50THz到用于某些量子存储的50Hz。解决上述问题的关键技术就是要研制出可逆地映射光子的中心频率和带宽的相干接口，以避免过多的损失。本项目发展了低噪声和高效率的啁啾技术，利用周期性极化的铌酸锂（PPLN）波导芯片实验上实现了单光子的频率转换、任意波形产生、以及带宽压缩140倍以上的相干光子接口，并将其应用到远程的量子通信当中，为1550 nm的量子通信与近可见光波段的量子存储的可逆转换的实现提供理论依据和实验指导。除实现项目的预期目标外，还取得了如下成果：.1）基于相干光子接口实验上实现了单光子的非线性作用并完成远距离的QKD实验。在实验中，我们的QKD体系结构不需要任何信任的节点，并且所有用户都可以通过建立纠缠来传输量子信息和共享安全密钥。此外，我们的QKD系统可以实现250公里以上的QKD。.2）基于相干光子接口实现了通信单光子的频率转换。我们的频率转换接口可以完成任意国际电信联盟(ITU) 通道之间的转换，这是实现量子网络中各用户进行点对点QKD的重要基础。.3）为了将我们的远距离QKD系统应用到未来的量子光纤网络，我们对基于多粒子纠缠态为量子信道的量子通信方案进行了理论的预研。.4）项目实施期间，项目成员在Physical Review Letters，International Journal of Theoretical Physics等期刊发表论文7篇，参加国内会议3次，培养研究生3名。