中科大實(shí)現軌道角動(dòng)量光子的量子頻率轉換

　　中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室在軌道角動(dòng)量(OAM)光子的量子頻率轉換研究領(lǐng)域取得系列進(jìn)展：該實(shí)驗室教授史保森領(lǐng)導的小組在國際上首次實(shí)現了OAM單光子、OAM糾纏光子以及OAM與偏振組成的混合糾纏光子的頻率上轉換，證明了在頻率變換過(guò)程中單光子的量子相干性和光子對的糾纏特性保持不變。主要研究成果分別發(fā)表在《光：科學(xué)與應用》[Light: Sci. & Appl. 5, e16019 (2016)]和8月29日的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 117, 103601(2016)]上。論文的第一作者為博士后周志遠。

　　攜帶OAM的光束在精密測量、微小粒子的囚禁與操控以及基礎物理研究等領(lǐng)域具有重要應用，同時(shí)基于OAM編碼的光信息處理由于其信道容量大的優(yōu)點(diǎn)已成為光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；贠AM編碼構建高維量子網(wǎng)絡(luò )是目前量子信息領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，并在近幾年取得了許多突破性進(jìn)展，如史保森小組在國際上首先實(shí)現了OAM單光子[Nat. Commun. 4, 2527(2013)]以及OAM糾纏[Phys. Rev. Lett. 114, 050502 (2015)]的量子存儲。在量子通信中，作為信息載體的光子需要在低損耗的通信窗口傳輸，而作為信息存儲和處理單元的物理體系其工作波長(cháng)一般不在通信窗口，因此需要在兩者之間建立量子接口以滿(mǎn)足量子信息既可被存儲又能長(cháng)距離傳輸的基本要求，基于非線(xiàn)性過(guò)程的光子頻率轉換就是建立量子接口的一種行之有效的方法。能夠實(shí)現該功能的轉換器可稱(chēng)為量子頻率變換器，其基本要求是除了能夠按照需要變換光子的頻率之外，更重要的是不能破壞原有量子態(tài)的量子關(guān)聯(lián)與相干特性。盡管人們已經(jīng)實(shí)現了高斯單光子以及糾纏光子的頻率轉換，然而迄今為止能否實(shí)現和如何實(shí)現OAM光子以及OAM糾纏光子的頻率轉換仍然是一個(gè)"open question"。

　　中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室教授史保森和博士后周志遠等從2012年就開(kāi)始了攜帶OAM光束的非線(xiàn)性頻率轉換研究，取得了一系列進(jìn)展[OL 37，3270 (2012);PRA 85，053815(2012);OE 22, 20298(2014);OE 22, 23673(2014); J. Opt. Soc. Am. B 32, 407 (2015)]，并在此基礎上取得重要突破：他們利用周期性非線(xiàn)性晶體作為變頻介質(zhì)，采用外腔共振技術(shù)提高轉換效率，首次成功實(shí)現了OAM單光子從紅外到可見(jiàn)波段之間的頻率上轉換，并證明了在頻率轉換過(guò)程中光子的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)和量子相干性保持不變，邁出了基于頻率轉換器實(shí)現量子接口的關(guān)鍵一步[light: Science & Applications 5, e16019(2016)]。最近，他們又將這項技術(shù)提升到一個(gè)全新的高度：在國際上首次實(shí)現了OAM糾纏光子以及OAM與偏振組成的混合糾纏光子從紅外到可見(jiàn)波段的頻率轉換，并且驗證了光子的糾纏特性在轉換過(guò)程中保持不變[Phys. Rev. Lett. 117, 103601(2016)]。這一系列工作對實(shí)現在不同波長(cháng)的OAM量子網(wǎng)絡(luò )的對接和量子信息交互具有重要意義。

　　這一系列工作也開(kāi)辟了量子光學(xué)與非線(xiàn)性光學(xué)研究的新篇章，為研究高維OAM量子態(tài)的相干波長(cháng)轉換、極弱光強下復雜空間光場(chǎng)的上轉換探測以及短波長(cháng)OAM光束的制備具有重要價(jià)值。此外，由于紅外圖像信號在遙感、夜視、天文觀(guān)測等領(lǐng)域具有非常重要的作用，因而紅外圖像的高精度探測尤為重要，但常用的紅外探測存在設備精度低、分辨率不高、探測效率低且設備昂貴等一系列問(wèn)題。將圖像信號通過(guò)頻率上轉換至可見(jiàn)波段，利用高精度、高靈敏度且價(jià)格低廉的可見(jiàn)波段探測設備進(jìn)行探測是解決以上問(wèn)題的一條有效途徑。史保森小組所取得的系列成果對構建紅外信號上轉換探測器，解決紅外圖像信號、特別是微弱信號的檢測具有重要價(jià)值。

　　這項工作得到國家基金委、中科院、科技部和量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng )新中心的資助。

　　OAM糾纏光子頻率轉換示意圖