中科大實現(xiàn)軌道角動量光子的量子頻率轉(zhuǎn)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(dǎo)的中科院量子信息重點實驗室在軌道角動量(OAM)光子的量子頻率轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域取得系列進展：該實驗室教授史保森領(lǐng)導(dǎo)的小組在國際上首次實現(xiàn)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(zhuǎn)換，證明了在頻率變換過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(yīng)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(chǔ)物理研究等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，同時基于OAM編碼的光信息處理由于其信道容量大的優(yōu)點已成為光通信領(lǐng)域的研究熱點?；贠AM編碼構(gòu)建高維量子網(wǎng)絡(luò)是目前量子信息領(lǐng)域的一個重要研究方向，并在近幾年取得了許多突破性進展，如史保森小組在國際上首先實現(xiàn)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足量子信息既可被存儲又能長距離傳輸?shù)幕疽?，基于非線性過程的光子頻率轉(zhuǎn)換就是建立量子接口的一種行之有效的方法。能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的轉(zhuǎn)換器可稱為量子頻率變換器，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)實現(xiàn)了高斯單光子以及糾纏光子的頻率轉(zhuǎn)換，然而迄今為止能否實現(xiàn)和如何實現(xiàn)OAM光子以及OAM糾纏光子的頻率轉(zhuǎn)換仍然是一個"open question"。

　　中科院量子信息重點實驗室教授史保森和博士后周志遠等從2012年就開始了攜帶OAM光束的非線性頻率轉(zhuǎn)換研究，取得了一系列進展[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(chǔ)上取得重要突破：他們利用周期性非線性晶體作為變頻介質(zhì)，采用外腔共振技術(shù)提高轉(zhuǎn)換效率，首次成功實現(xiàn)了OAM單光子從紅外到可見波段之間的頻率上轉(zhuǎn)換，并證明了在頻率轉(zhuǎn)換過程中光子的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)和量子相干性保持不變，邁出了基于頻率轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)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)提升到一個全新的高度：在國際上首次實現(xiàn)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波段的頻率轉(zhuǎn)換，并且驗證了光子的糾纏特性在轉(zhuǎn)換過程中保持不變[Phys. Rev. Lett. 117, 103601(2016)]。這一系列工作對實現(xiàn)在不同波長的OAM量子網(wǎng)絡(luò)的對接和量子信息交互具有重要意義。

　　這一系列工作也開辟了量子光學(xué)與非線性光學(xué)研究的新篇章，為研究高維OAM量子態(tài)的相干波長轉(zhuǎn)換、極弱光強下復(fù)雜空間光場的上轉(zhuǎn)換探測以及短波長OAM光束的制備具有重要價值。此外，由于紅外圖像信號在遙感、夜視、天文觀測等領(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(shè)備精度低、分辨率不高、探測效率低且設(shè)備昂貴等一系列問題。將圖像信號通過頻率上轉(zhuǎn)換至可見波段，利用高精度、高靈敏度且價格低廉的可見波段探測設(shè)備進行探測是解決以上問題的一條有效途徑。史保森小組所取得的系列成果對構(gòu)建紅外信號上轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換示意圖