量子频率微梳

世界上首台频率梳的部件，体积大到必须摆放在实验台上；而如今的微型频率梳小到可以集成到微芯片尺度的器件中。尽管尺寸已经进入量子光学的范畴，但是目前大多数研究人员仍然在简单的经典物理范畴内研究集成频率梳。

近日，美国一所大学的研究团队对频率梳这一微型半导体器件的量子光学特性进行了研究，也被称为孤子微光梳（文章见：Nature Photonics, doi: 10.1038/s41566-021-00901-z）。研究人员成功在实验中验证了一种被称作线性化的数学模型，该模型描述了耗散克尔孤子的形成过程；同时发现了成对生成的微梳孤子之间存在量子纠缠的证据。

微环

近些年来，许多研究组正致力于将频率梳的尺寸缩小到芯片级别，这项研究的关键在于使用利用非线性克尔效应（即折射率随光强的变化而变化）的微环。这种微梳的特殊之处在于，它可以产生被称为耗散克尔孤子的孤立光脉冲（参见2021年1月发表于OPN上的“Combs of Light on a Chip”）。

图1 碳化硅微环的扫描电子显微镜图像

美国斯坦福大学的美国光学学会会士Jelena Vuckovic及其同事利用直径约100微米的微环，用碳化硅制造了一组频率微梳。当向环内泵入激光时，光会产生一个孤子，理想情况下就会形成一个孤子“晶体”。

“单个孤子状态下，任意时间孤子（脉冲）都存在于微环内。”Vuckovic及其合作者、斯坦福大学的Melissa Guidry，Daniel Lukin和Ki Youl Yang在给OPN的一封邮件中写道。“在孤子晶体状态下，任意时间微环内都存在多个孤子，它们之间的空间距离是固定的。”可以把微环看作是在空间域中自包裹的一维链条。组成晶体的孤子“通过自我稳定效应锁定在了一个完美的周期结构中，”团队说。

图2 频率梳和孤子微环的概念图。频率梳状图中为相干光齿以及齿间的量子光

为了研究这些频率微梳的量子特性，Vuckovic的研究小组使用了一种名为单光子光谱分析仪（single-photon optical spectrum analyzer, SPOSA）的新技术。这种探测器兼具单光子灵敏度和非常高的动态范围。“借助这一单光子探测器，我们可以进行时间相关测量，在很宽的波长范围内看到非常弱的低于阈值光。”该团队对OPN说。“得益于测量的高动态范围，我们能够在同一光谱中同时测量高于阈值和低于阈值的光。”

研究小组之所以选择碳化硅、而非氮化硅来制造微梳，主要是因为前者的损耗要小于后者。该团队写道，碳化硅具有“优异的三阶非线性，此外与电子电路的兼容性也非常出色，有利于下一步应用”。

令人惊喜的发现

下一步，斯坦福大学的研究人员将其实验结果与一个线性化模型进行了比较，以挑出其中的量子涨落。他们惊喜地发现，他们的实验结果与理论预测相符，这意味着存在纠缠。他们写道：“这项工作的理论分析和实验结果同步进行，其中最大的难题在于拟合理论模型与实验数据。”

“我们不能确定这个模型是否适用，因为这是我们首次测量量子相关性；与实验结果不吻合之处有可能暗藏出人意料的物理现象，也有可能只是数值错误。在考虑了所有的实验参数后，理论模型仅用一个自由参数就与实验结果实现了完全匹配，对于一个如此复杂的系统来说，这是非常出乎意料的。”

下一步的实际应用

Vuckovic及其同事说，目前频率微梳已被集成到激光雷达、光谱学、光学频率合成和光互连等设备中。而他们所研制的这种微梳虽然尚未整合到商业激光雷达系统或数据中心中，但产品已经初具雏形。一家瑞士公司和瑞士联邦理工学院的科学家们已经宣布了一种完全独立的“交钥匙式”孤子微梳源。将这种微梳与激光雷达和光通信系统相结合，将可以使未来的系统更加节能、便携，同时降低成本。

Vuckovic研究组的下一步工作是通过实验测量孤子晶体中的多模纠缠。为实现这一目标，他们将测量量子梳的量子噪声的“压缩”，研究人员说，这与纠缠态密切相关。

“对于一些基于光的量子计算算法，压缩程度是一个关键信息，”该团队在给OPN的信中写道。“除了专门的测量设备，这项研究还需要经专门设计的微环设备来改变量子态，并在不降低压缩（对损耗非常敏感）的情况下有效地提取大部分光。”我们正在研究工程和理论基础，但现阶段，还无法预计需要多长时间。”