量子纠缠光频梳（点击图片查看详细介绍）

成果一：基于量子非线性光子学理论，提出多种光频梳型多组份集成纠缠源理论模型及制备方案，为实现光量子芯片的片上量子信号源提供理论基础

       量子纠缠是量子计算和量子信息处理的物理基础，多组份量子纠缠源可显著提高量子计算和量子信息处理的性能，因此制备集成化量子多组份纠缠源，尤其是光频梳型多组份纠缠源，成为目前量子信息处理的首要任务之一。研究了多种光频梳型多组份纠缠源制备方案，包括基于二阶非线性光子晶体的光频梳型纠缠源和基于回音壁型微纳谐振腔的光频梳型集成纠缠源。

1. 实验室自主研发了一套非线性光子晶体设计软件，可设计任意二阶非线性晶体的准周期结构，理论上可使任意多个参量过程同时满足准相位匹配条件，完成任意光学频率变换。采用该软件设计了周期性极化铌酸锂晶体，完成了六组份频率梳型纠缠源理论设计[PRA, 85, 052328(2012)]，审稿人评价我们的工作：“I do not doubt that the detailed analysis of the proposed scheme in the manuscript will be of inherent value to others working in the field, and in particular for those who are in a position to perform the necessary experiments to confirm the predictions made.” 论文发表后被发表在包括PRL在内的SCI国际权威学术期刊上的实验物理论文所引用，如RPL109，253604(2012)、JOSA30(11), 2875(2013)、Eur. Phys. J. D 68, 164(2014) 等，目前正在与南京大学物理系合作开展相关实验研究。
             
            
             图1. 实验方案及多参量准相位匹配晶体设计程序              图2. PPLN晶体结构及纠缠关系
2. 为解决量子信号源的集成化问题，本实验室基于硅基非线性光子学提出采用回音壁型微纳谐振腔制备光频梳型集成多组份纠缠源理论方案[OSA CLEO2015, PRA 91, 042311(2015)]。该方案与CMOS工艺兼容，可与较成熟的硅基无源光器件融合组成集成光量子芯片，促进光量子计算芯片的实用化。该方向因其良好的理论创新获得国家自然科学基金面上项目的资助，目前正与美国罗切斯特大学林强教授合作开展相关实验研究。此外，申请者采用光纤级联四波混频效应设计了波导型光频梳多组份纠缠源理论方案[arXiv:1109.2221v1]，该项目获得2011年国家自然科学基金青年基金资助。同时，申请者探索了集成光频梳在经典无线通信方面的应用，提出了一种基于硅基微纳光频梳的太赫兹无线通信方案，极大地提高了通信容量，相关研究受到华为公司的持续资助。
                                
                                             图3. 基于回音壁型非线性谐振腔的五组份纠缠源
        
        图4. 级联的四波混频效应产生微纳光频梳原理                            图5. 五组份纠缠源关系

3. 硅基关联光子对

   提出了一种基于硅基纳米线中的自发四波混频效应制备C波段关联光子对的理论方案[CTP (2015) 64,735-740]，并定量分析了泵浦脉冲参数、波导结构、波导色散、损耗、TPA对关联光子对频谱特性、频率纠缠特性的影响。该方案由于结构紧凑、与CMOS工艺兼容有望成为量子芯片的片上集成量子信号源。

4. 相关成果：
   1) Yi Gu, Guangqiang He*, Xufei Wu, Generation of six partite continuous variable entanglement by nonlinear parametric down conversion cascaded with four sum frequency generation processes, Physical Review A (2012) 85, 052328
   2) Yutian Wen, Xufei Wu, Rongyu Li, Qiang Lin and Guangqiang He*, Five-partite entanglement generation in a high-Q microresonator, Physical Review A (2015) 91, 042311
   3)L. L. Lu(陆亮亮), P. Xu(徐平)*, J. N. Xu(徐建宁) G. Q. He(何广强), and S. N. Zhu(祝世宁), Theoretical analysis of spectral correlations between photon pairs generated in nanoscale silicon waveguides, Communications in Theoretical Physics（2015）64，735-740
   4) 国家自然科学基金 基于硅基微纳谐振腔的量子纠缠光频梳产生及传输问题研究（项目编号：61475099） 80万元 2015-2018 正在进行