中國科大實現電泵浦片上集成高亮度糾纏量子光源

中國科學技術大學教授潘建偉、張強等組成的研究團隊與濟南量子技術研究院、中國科學院半導體研究所等單位合作，通過混合集成分布式反饋激光器與薄膜鈮酸鋰光子芯片，成功實現了電泵浦片上集成的高亮度偏振糾纏源，向集成化量子信息處理邁出重要一步。12月16日，相關成果以“編輯推薦”的形式于發表于《物理評論快報》。

糾纏量子光源是量子信息科學的核心資源之一，廣泛應用于量子通信、量子計算和量子精密測量等領域。傳統糾纏光子源主要基于塊狀非線性晶體或波導，通常需要外加獨立激光器來實現光泵浦，這極大限制了糾纏源的集成度和可擴展性。相對于光泵浦，電泵浦方案則通過片上直接注入電流實現非線性參量過程，避免了外置激光器的使用，從而提升糾纏源的集成度和擴展性。近年來，盡管集成光子平臺如硅、氮化硅、鈮酸鋰等發展迅速，但同時實現高亮度、高集成度的電泵浦糾纏光子源仍面臨挑戰。

中國科大研究團隊創新性地采用分布式反饋激光器與薄膜鈮酸鋰光子芯片混合集成的方案，利用中國科學院半導體研究所牛智川研究員團隊開發的780納米波段分布式反饋激光器，結合濟南量子技術研究院的集成化雙通道參量下轉換薄膜鈮酸鋰光子芯片，最終實現了高效的自發參量下轉換以及片上偏振糾纏態制備。其中，薄膜鈮酸鋰光子芯片集成了多模干涉分束器、雙通道周期性極化鈮酸鋰波導以及偏振旋轉合束器。通過直流或脈沖電信號泵浦，團隊在室溫下實現了超高亮度的偏振糾纏光子對產生，亮度達到每秒4.5乘以10的10次方對每毫瓦，帶寬達到73納米，該亮度較此前基于氮化硅平臺的電泵浦糾纏源提升了6個數量級，帶寬提升了1個數量級。

實驗結果表明，該糾纏源在多個波長信道下均表現出良好的貝爾態特性（保真度大于96%），并具備寬帶復用能力，器件尺寸僅為15毫米乘以20毫米，展現出優異的集成度。該器件適用于波分復用的光纖網絡量子密鑰分發、基于衛星的星地量子通信，以及基于糾纏的量子精密測量等應用場景。

相關論文信息：https://link.aps.org/doi/10.1103/sfj2-dcx1