單光子產率提升近三倍，電子科技大學提出新型宣佈式單光子源方案

最近，電子科技大學基礎與前沿研究院郭光燦院士和周強教授團隊與中科院上海微系統所尤立星研究員合作，提出並原理驗證了絕緣體上鈮酸鋰（LNOI）片上頻譜多路複用宣佈式單光子源（HSPS），首次實現了電信頻段下的頻譜多路複用宣佈式單光子生成。該成果打破了宣佈式單光子產率和純度之間的權衡，爲實現片上可擴展和高性能的HSPS鋪平了道路。

相關研究成果以《電信頻段下的頻譜多路複用不可區分的單光子生成》爲題[1]發表於Photonics Research期刊2022年第6期。

單光子源是光量子信息技術的基礎，理想情況下，它能夠以純淨、確定性和不可區分的方式發射單光子，並有多種潛在應用：對光的量子性質的基本研究、安全通信、指數增強計算和高精度測量。爲了使單光子的發射更適用於量子技術中的廣泛部署，工程上存在兩種路徑：

第一種基於單發射器。能夠確定地發射單光子，但製造工藝複雜且難以室溫操作；

第二種基於自發非線性參數化過程，途徑是宣佈式單光子源（HSPS）——它基於自發參量下轉換（SPDC）或自發四波混頻產生的關聯光子對，探測這個光子對中的一個光子（即宣佈式光子）以表明其孿生光子的存在。HSPS方便實驗且發射波長靈活，但也存在不可避免的概率性質；同時，爲了實現更高的單光子純度，HSPS系統必須在低功率水平下運行，這限制了宣佈式單光子（HSP）產率和HSPS的實際應用。

HSPS需要在宣佈式單光子產率和單光子純度之間做出權衡。爲了打破這種權衡，可以在不同的自由度上應用多路複用技術，進而顯著提高HSPS的性能。因此，該團隊提出了一種1.5μm芯片級HSPS，通過採用頻譜多路複用和有源前饋頻譜操縱，在絕緣體上鈮酸鋰（LNOI）演示了基於分立光纖元件的原理驗證實驗。

基於LNOI的片上頻譜多路複用HSPS原理。（a）基於LNOI的頻譜多路複用HSPS，所有基本組件都集成在LNOI光子芯片上，包括：（I）光子對生成模塊、（II）濾波和探測模塊，以及（III）前饋和頻移模塊。（b）SHG和SPDC能量守恆圖。（c）頻域多路複用的說明。光子對生成模塊（I）通過級聯SHG和SPDC工藝產生寬帶相關信號和閒置光子，閒置光子被過濾爲不同的光譜模式，並由濾波和探測模塊（II）中的SNSPD探測。探測信號被髮送到邏輯電路，邏輯電路再將移頻信號發送到前饋和頻移模塊（III），其中信號光子被移入公共頻譜模式。LNOI，絕緣體上鈮酸鋰；PPLN，週期性極化鈮酸鋰；LN，鈮酸鋰；EOM，電光相位調製器；SNSPD，超導納米線單光子探測器；SHG，二次諧波產生；SPDC，自發參量下轉換。

頻譜多路複用HSPS的實驗設置。PPLN，週期性極化鈮酸鋰；DWDM，密集型波分複用器；EOM，電光相位調製器；TNF，可調諧窄帶濾波器；BS，分束器；PC，偏振控制器；TDC，時間-數字轉換器；SNSPD，超導納米線單光子探測器。

隨後，該團隊分別驗證了應用和沒有應用頻移信號的宣佈式信號光子的頻譜特性。通過改變帶寬爲12.5GHz的可調諧窄帶濾波器（TNF）的濾波窗口，在頻域中選擇信號光子；信號光子和宣佈式光子之間的符合事件由符合邏輯電路計數。通過連續波激光泵浦和三種頻譜模式的多路複用，結果表明，頻譜多路複用將宣佈式單光子產率提高了近三倍。

三種頻譜模式多路複用的實驗結果。藍色菱形是多路複用光源。（a）HSP速率與泵功率的關係。多路複用源的HSP速率在低泵功率下爲2.80±0.12，比單個頻譜模式的倍數大；（b）在固定HSP速率下，多路複用源的CAR比單個HSPS的性能有所提高；（c）團隊選擇光譜模式s0與其多路複用對應物對比，表明單個光源在理論上比低HSP速率區域的多路複用源增加近3倍。

爲進一步表徵頻譜多路複用HSPS的非經典性質和不可區分性，團隊展示了多路複用HSPS與獨立弱相干單光子源之間的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉實驗。對於普通光子對，單個信號模式/宣佈模式不會提供非經典光子數統計，因此，能見度高於50%被用作確定非經典性是否發生在HOM干涉中的標準。

此次實驗中，HOM干涉實驗通過向兩個輸入端口發射平衡場強度進行：當兩個輸入場分別發射到分束器的兩個輸入端口時，平均光子數相等。多路複用HSPS和弱相干源之間HOM干涉的真正三倍能見度接近66.67%上限，表明多路複用單光子源發射的高度難以區分光子；如果用真正的單光子源代替弱相干源，理論上HOM干涉的能見度預計爲91.5%。

實驗中能見度的略微下降主要由探測器的噪聲、頻譜多路複用HSPS中的殘存多光子事件引起。

多路複用光源和弱相干光源之間的HOM干涉。紅色圓圈是在沒有預示程序情況下測量的雙重符合；藍色菱形是在預示程序測量條件下的三重符合。雙重和三重符合都由高斯函數擬合，可見性都是蒙特卡羅方法的1000次高斯擬合結果。紅色和藍色條帶分別表示兩倍和三倍HOM效應的擬合方差。

此次實驗中，該團隊提出了一種基於LNOI的片上電信頻段頻譜多路複用HSPS，演示了其原理驗證實驗並顯著提高了性能；同時，多路複用源和弱相干單光子源之間的HOM干涉實驗首次顯示了非經典性質的證據。

結果表明，大規模集成光子芯片HSPS在實現高性能單光子源方面具有巨大潛力。此外，如果應用更大幅度的頻率偏移，這一集成方案也具有可擴展的多路複用前景，對於開發高質量的單光子源意義非凡。

[1]https://opg.optica.org/DirectPDFAccess/F2582531-61A3-4B96-9D2BCAD86D0C28B5_473206/prj-10-6-1417.pdf?da=1&id=473206&seq=0&mobile=no

[2]https://news.uestc.edu.cn/?n=UestcNews.Front.DocumentV2.ArticlePage&Id=85958

[3]https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-10-6-1417&id=473206