走向实用量子光学：基于LNOI的多光子量子比特

图：原理图：产生 N光子态的LNOI片上方案。

       量子光学能用于实际应用吗？很大程度上取决于能否以量子态聚集大量光子。

       在所有的量子系统中，光子以其弱相互作用而闻名，这使得即使在室温下也可以实现长的相干时间，从而使它们适合在遥远的位置之间传输量子比特（quantum bits也称为“qubits”）。然而，光子的弱相互作用限制了称为多光子量子比特态或“N光子态”的量子态的产生。产生N光子态仍然是量子光学领域的一个基本挑战。

       正如Advanced Photonics Nexus所报道的，南京大学的研究人员提出了第一个方案，理论上，该方案实际上可以确定地产生N光子态，从而使光子数加倍以100%的效率在无限数量的光子下发生。该方案在实验上是可行的，通过使用绝缘体上铌酸锂（LNOI）平台，该材料平台提供了超强的χ（2）非线性相互作用。

       在报告的方案中，关键部件是光子数加倍单元（PDU），它可以在保持光谱不变的情况下加倍光子数。在PDU中，最具挑战性的部分是从单光子到双光子的确定性转换。之前已经提出并进行了理论研究，但仅限于理想的χ（2）或χ（3）物质假设。基于实际材料参数，研究人员提出了PDU工艺的第一个实验可行方案。

       该团队表明，PDU对于不同量子技术应用的N量子比特态的生成是通用的，提出了N光子Fock态、簇态和GHZ态的芯片上设计方案。

       他们的方案涉及高Q LNOI微环谐振器中的确定性参数下变频（DPDC）。结合LNOI平台的超高非线性和谐振器的腔增强效应，可以使用107 Q因子微环实现DPDC，这限制于当前的制造和实验。

       除了DPDC之外，为了可扩展性，PDU中需要确定性参数上变频（DPUC），以将光子频率转换回泵浦频率。他们表明，这可以通过毫瓦级LNOI片上功率实现。

图：（a） N光子态生成方案原理图。（b） 芯片上的PDU布局。（c） N光子Fock状态的芯片设计。（d） 微环谐振器中的DPDC过程。

       作为第一个考虑到实际材料参数的确定性N光子态生成的实验可行方案，该工作为未来实际实现大光子态提供了重要指导。据南京大学电子科学与工程学院教授Zhenda Xie表示，“多数光子态被视为量子光学和量子信息领域物理学家的终极目标之一。这项工作提出了第一个实际实现目标的可行方案。”

       Xie补充道，“基于LNOI的这种确定性单光子相互作用不仅可以用于光子生成，还可以用于光子操纵，以实现量子门、量子存储等，从而推动量子计算、量子通信和整体量子信息技术的发展。”

       该团队预计，他们对量子信息的光学方法将引起关注，并鼓励其他研究人员进行实际演示。

[1] Hua-Ying Liu et al, Deterministic N-photon state generation using lithium niobate on insulator device, Advanced Photonics Nexus (2022). DOI: 10.1117/1.APN.2.1.016003