揭示集成光量子器件中单光子阻断的新原理

记者21日从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士研究团队邹长岭提出了一种利用单光学模式中极其微弱的光学非线性实现光子阻断的新原理和方案，并分析了其在集成光学芯片上的实验可行性。相关结果近日发表在国际期刊《物理评论快报》上。

光子之间的非线性相互作用是实现室温下可扩展量子信息处理的核心资源。然而，由于材料的非线性极化率和光损耗，在非线性光学系统中直接观测单光子能级的光子相互作用极其困难，因此传统的单光子产生方法主要依靠概率参量下转换，需要较高的泵浦功率。

近年来，国际上集成非线性光子学的实验研究进展迅速。以铌酸锂、铟镓磷等材料为代表的平台，将光模的单光子非谐性提升到了1%，为实现室温弱光量子效应提供了新的途径。例如，通过耦合多个微腔构建多模量子干涉，或者用脉冲激光驱动单个微腔，可以实现单光子的阻挡效应，从而可以利用集成光子器件从相干激光中滤除单光子。然而，这些研究方案需要复杂的结构，基于现有的实验条件难以实现。另外，单模腔内的动态阻断效果较差，物理机制不清楚。

针对上述问题，课题组在前期研究工作的基础上，引入了光子的频率自由度，提出了利用单个光学模式下的两个连续激光来控制其动态演化。利用非线性腔对不同频率的非均匀响应，可以在特定时刻精确控制不同光子态的布居分布，高保真地产生亚泊松量子统计光场。基于报道的集成铌酸锂芯片的实验参数，研究人员证明了该方案的实验可行性。

评论者一致认为，该研究引入了一种新的物理机制，揭示了动态光子阻断的物理本质，是已报道的相关研究中最简单、消耗资源最少的。