郭光灿团队实现低温集成量子纠缠光源

中国科大郭光灿院士团队在集成化量子光源制备研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组基于低温集成自发四波混频过程，展示了低温条件下集成量子纠缠光源的制备，相关成果于6月2日发表在光学知名学术期刊Optica上。

“利用低温综合四波混合技术产生纠缠现象(Entanglement generation using cryogenic integrated four-wave mixing)”

光量子集成芯片，以其极高的相位稳定性和可重构性，逐渐发展成为展示新型量子应用、开发新型量子器件的理想平台。

目前，大多数光量子集成器件聚焦于室温条件下的功能，但许多量子元件（如超导纳米线单光子探测器）和半导体、超导量子计算系统，都需要在低温条件下运行。为了实现光量子系统的全片上集成和光互联不同量子计算系统构建量子网络，低温非线性过程研究不可或缺。

此次，研究组将集成微纳硅波导置于低温腔中，研究了4 K—294K温度下硅波导中的自发四波混频过程，并基于该过程实现了低温集成量子纠缠光源的制备。

低温集成量子光源的实验系统

用硅光子学芯片在低温和室温下产生的频率复用的光子对源。

能量-时间纠缠干扰测量。

低温冷却抑制了噪声，并实现了高质量的量子光子源。该成果成功地将基于自发四波混频过程的量子光源扩展到低温条件，为光量子器件的全片上集成和低温条件下非线性光学的进一步应用奠定了基础。

结合低温集成光子调制器，在低温操作条件下，使用量子光子集成电路(QPIC)可以进行各种光量子应用。特别是具有优异性能的SNSPD也能在类似的温度下运行。包含所有核心功能的集成光子器件，如光子源生成、量子态调制和单光子检测，将大大减少芯片输入和芯片输出损失，从而促进光子量子在日常生活中的应用。对于完全集成的操作，低温下的泵滤波也非常重要，验证其功能将是下一步的工作。除了量子光子对源，这一工作也将促进其他低温非线性应用，如全光调制、波长转换和硅光子电路的参数化放大。

总之，团队展示了在低温条件下用集成硅光子电路制备量子光子对源。事实证明，硅波导中的SFWM仍然是在这种低温下产生量子光子源的有效方法。实验验证了光子对的带宽为∼2THz ，并产生了频率复用的能量-时间纠缠态。观察到的近乎单一的干扰可见性表明，这种低温多通道纠缠光子源具有很高的质量，可以用于进一步的量子信息应用。

审稿人对该工作给出了高度评价：“This paper provides useful insight into the study of integrated quantum optics in cryogenic environments（这项工作为低温环境下集成量子光学的研究提供了重要依据）”。

中科院量子信息重点实验室任希锋教授为论文通讯作者，中科院量子信息重点实验室特任副研究员冯兰天和博士研究生程羽洁为论文共同第一作者。此外，中科院量子信息重点实验室周志远教授、天津工业大学祁晓卓博士和浙江大学戴道锌教授、张明助理研究员为该工作提供了技术支持。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。