史保森研究组实现面向高维量子网络的量子波长转换器

我实验室在基于轨道角动量（OAM）自由度的量子接口研究方向取得重要进展：史保森研究组在国际上首次实现了标记单光子轨道角动量态的频率上转换，证明了在频率变换过程中光子轨道角动量的非经典关联和量子相干性保持不变。这项研究成果1月29日在线发表在国际光学权威期刊《光：科学与应用》上[Light: Sci. & Appl. 5, e10019 (2016)]。

携带OAM的光束在精密测量、微小粒子的囚禁与操控以及基础物理研究等领域具有重要的应用，同时基于OAM编码的光信息处理由于其信道容量大的优点已成为量子通信领域的研究热点。基于OAM编码构建高维量子网络是目前量子信息领域的一个重要研究方向，并在近几年取得了许多突破性进展。在量子通信中，作为信息载体的光子需要在低损耗的通信窗口传输，而作为信息存储和处理单元的物理体系其工作波长一般却不在通信窗口，因此需要在两者之间建立量子接口以满足量子信息既可被存储又能长距离传输的基本要求。基于非线性过程的光子频率变换就是建立量子接口的一种行之有效的方法。能够实现该功能的转换器可称为量子波长变换器，其基本要求是除了能够按照需要变换光子的频率之外，最重要的是不能破坏原有量子态的量子关联与相干特性。尽管人们已经实现了高斯模光子的频率变换，然而迄今为止能否实现和如何实现OAM光子的频率变换仍然是一个"open question"。

史保森教授和博士后周志远等从2012年就开始了携带OAM光束的非线性频率变换研究，取得了一系列进展（OL，37: 3270-3272 (2012），PRA, 85: 053815（2012），OE，22: 20298-20310，23673-23678（2014）， J. Opt. Soc. Am. B, 32: 407-411 (2015）），并在此基础上取得重要突破：他们采用自发参量下转换过程产生了标记单光子并使其携带OAM，利用周期性非线性晶体作为变频介质，采用外腔共振技术提高转换效率，首次成功地实现了OAM标记单光子从红外到可见波段之间的频率上变换，并证明了在频率变换过程中光子的非经典关联和量子相干性保持不变，迈出了基于波长变换器实现量子接口的关键一步。

 此外，该项工作属于空间图像的频率变换范畴。由于红外图像信号在遥感、夜视、天文观测等领域具有非常重要的作用，因而红外图像的高精度探测尤为重要，但常用的红外探测存在设备精度低、分辨率不高、探测效率低且设备昂贵等一系列问题。将图像信号通过频率上转换至可见波段，利用高精度、高灵敏度且价格低廉的可见波段探测设备进行探测是解决以上问题的一条途径。该项研究成果无疑对以上领域的研究同样具有重要参考价值。

 这项工作得到国家基金委、中科院、科技部的资助。

 论文链接：http://www.nature.com/lsa/journal/v5/n1/full/lsa201619a.html