基于量子效应类比的集成光学波导器件的研究

Photonic integrated circuits are compact, scalable, table and low consumption, can be applied for optical quantum information processing and quantum metrology. For practical experiments, the photonic integrated circuits require the devices be broadband, large fabrication tolerance and compatible with various materials. This project is based on the analogue between the light propagating in the waveguide and the evolution of quantum states, study the mode properties of single waveguide and the coupled mode theory for multiple multimode waveguide. As analogue to the quantum adiabatic evolution, propose a new kind of waveguide devices for mode conversion and phase shifter. Study the theory of the coupled mode theory for arbitrary mode conversion as arbitrary unitary operation. Also realize the controlling of energy transfer in the waveguide by artificial structured environment.

集成光学芯片具有尺寸小、可扩展、稳定和能耗低的特点，可以被用于光学量子信息处理和精密测量。从实际出发，集成光学芯片实验需要宽带的，加工容错高，兼容不同材料的器件设计。本项目基于光在波导的传播演化与量子态的演化的类比，研究单根波导的模式性质，以及多波导间的耦合模式理论。借助绝热量子演化的概念，提出一类新的单波导器件，实现单波导内的多模模式转换、相位调制。给出多模波导之间的耦合的一般性理论，实现任意波导之间的模式转换的幺正操作。人工构造环境与目标波导的耦合系统，实现对目标波导内能量传输的控制。

相比于传统光学，集成光学芯片具有可扩展和高稳定性等优点，有望被用于基于光子的量子信息处理。区别于传统光信息处理，针对于量子光学信息处理，集成光学芯片器件需要满足高效率、大带宽和低功耗等条件，因此我们需要从实际出发研究设计新的集成光学器件。借助量子物理中的量子态演化和控制的思想，本项目研究了：耗散引起的非厄米相互作用在集成波导定向分束器中对光子量子干涉的影响，以及利用耗散实现光子的单向传输，基于波导绝热模式演化实现高效宽频的量子光频率转换器件，并且将声子引入集成光学芯片实现光子的非互易效应等。这些研究都结合了光量子信息处理和集成芯片的特点，不仅在理论上具有新颖性，在实验上也具有可行性，其中部分器件的实验研究也正在开展。另外，本项目成果的研究思想也能够进一步推广和扩展，借鉴量子系统的优化控制方法，实现任意波导之间的模式转换的幺正操作。