Advanced Quantum Technologies:西安交通大学张彦鹏团队利用高阶非线性过程研究三光子时间关联特性

图(a)三光子产生示意图。(b)三光子能量时间纠缠示意图。(c)单缀饰场作用下的缀饰态表象原子能级示意图。(d)单缀饰场作用下,三光子时间关联中的线性与非线性光学响应的竞争与共存。(e)双缀饰场作用下的缀饰态表象原子能级示意图。(f)双缀饰场作用下,三光子时间关联中非线性系数占主导作用下的高维能量时间纠缠。

量子源,特别是多体光子纠缠态,是量子光学领域中探索量子物理基本问题的基准工具,而且在发展先进的量子技术中也有着重要的作用,如量子密钥分发及多体量子通信。通过操控更多数量的纠缠光子也能够增强量子系统的应用范围。虽然在单光子源和纠缠光子对的制备方面已经取得了显著的进展,但三光子的产生还是一个真正的挑战。与双光子相比,三体光子具有更丰富的能量结构及纠缠特性。此外,随着多体量子信息过程的需求的增加,对可操控的光子数量也在增加,因此可以观察到多量子比特的纠缠态有更高的安全性、灵活性和信息容量等优良特性。因此,构建三体光子纠缠源及其时间关联特性是有趣且值得去研究的。

目前利用非线性晶体中自发参量下转换过程及原子系统中四波混频非线性过程是较为成熟的方法来产生双光子纠缠态。基于这两种方法,许多研究工作已经证明了多光子纠缠态的产生。利用自发参量下转换过程结合偏振光束分光器,通过后选择的方式已经被用于证明多体纠缠光子的产生,然而,由于多个重复过程会导致进一步的校准和产生的损耗问题。通过级联这两种产生双光子的方法,也被用于证明三光子的产生,然而级联的方式也会导致三光子低的产生率和长的实验测量周期。相比于基于双光子产生的多光子纠缠态,利用高阶非线性一步产生的多光子纠缠态具有着非高斯的分布统计及多体的纠缠特性,因此极具研究价值。利用非线性晶体中一个纯的三阶非线性相互作用,三体光子纠缠态已经被证明有着负的维格纳函数,表明了其非高斯统计和量子特性。相比于非线性晶体系统,一个原子系统,特别是热原子系统,意味着更低的损耗,更小和更简单的设备,从而降低成本和更简单的实验操作和要求。因此,利用原子系统中一个纯的五阶非线性相互作用,有望用于实现具有高产生率和窄带长相干的三体光子纠缠态。同时,利用原子系统中光与原子的相互作用,通过原子能级的相干调控,发展基于六波混频的具有更加丰富的时间关联特性及量子特性的三体光子也有望为未来发展先进的多体量子技术等应用提供新的发展思路。

基于此,西安交通大学电子学院张彦鹏教授领导的研究团队首次利用基于原子系统中六波混频过程构建了三体光子纠缠态,该三光子展示出了W态的非经典特性及强的能量时间纠缠特性。由于光与原子强的非线性相互作用,六波混频过程在缀饰态表象下表现为多模的六波混频相干通道。因此,在不同的缀饰态表象下,导致了不同的拓扑能级结构及产生光子的不同缀饰态。基于不同缀饰态表象及拓扑能级结构,三光子的时间关联表现为线性与非线性光学学响应的竞争与共存、一维到高维的能量时间纠缠特性。

该工作以“Three-body topology entanglement generation via a six-wave mixing: competing and coexisting of linear and nonlinear optics responses in triphoton temporal correlation”为题,于近日发表在《Advanced Quantum Technologies》上(DOI: 10.1002/qute.201900119)。该论文的第一作者是西安交通大学电子学院博士研究生李康康,通讯作者是西安交通大学张彦鹏教授。该项研究得到电子物理与器件教育部重点实验室及 陕西省信息光子技术重点实验室的支持,以及国家重点研究发展项目、国家自然科学基金等项目的资助。

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论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/qute.201900119

缪峰课题组主页:https://gr.xjtu.edu.cn/web/ypzhang