圖1. (a) 電泵浦偏振糾纏光子源實物圖;(b) 混合集成示意圖;(c) 波導結構與光場模式分布;(d) 薄膜鈮酸鋰芯片掃描電鏡圖;(e) 雙通道PPLN波導電鏡圖;(f) 偏振旋轉合束器電鏡圖。

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(xiàn)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。相關成果以“編輯推薦”的形式于12月16日發(fā)表于國際學術期刊《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

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(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)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(fā)展迅速，但同時實現(xiàn)高亮度、高集成度的電泵浦糾纏光子源仍面臨挑戰(zhàn)。

中國科大研究團隊創(chuàng)新性地采用分布式反饋(DFB)激光器與薄膜鈮酸鋰(TFLN)光子芯片混合集成的方案，利用半導體所牛智川研究員團隊開發(fā)的780nm波段DFB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TFLN光子芯片，最終實現(xiàn)了高效的自發(fā)參量下轉換以及片上偏振糾纏態(tài)制備。其中，TFLN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(詳見圖1)。通過直流或脈沖電信號泵浦(詳見圖2)，團隊在室溫下實現(xiàn)了超高亮度的偏振糾纏光子對產生，亮度達到4.5×101?Hz/mW，帶寬達到73nm，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(shù)量級，帶寬提升了1個數(shù)量級。

實驗結果表明，該糾纏源在多個波長信道下均表現(xiàn)出良好的貝爾態(tài)特性(保真度大于96%)，并具備寬帶復用能力，器件尺寸僅為15×20mm2，展現(xiàn)出優(yōu)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(fā)、基于衛(wèi)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。

中國科學技術大學博士生焦旭峰和濟南量子技術研究院鄭名揚研究員是本論文的共同第一作者。該工作得到科技部、基金委、山東省等部門的資助和支持。

審核編輯 黃宇