導讀

光子作為一種常見的量子信息載體，在量子科學和技術中起到了關鍵作用。相較于電信號，光的一個特殊優勢在于它有極大的帶寬。每個光子可以有不同的顏色（也就是頻率）和頻域形態。操控它們對量子信息有重要意義。但是，量子光譜操控是一個極難的任務，因為改變光子的頻率意味著改變它的能量。

而在集成光子芯片上完成這個任務更是難上加難。近日，哈佛大學MarkoLon?ar團隊利用薄膜鈮酸鋰調制器實現了片上單光子頻率偏移和帶寬壓縮。這一研究對片上量子光譜操控有重要意義，對量子計算、量子通訊和網絡有著實際應用前景。

圖一：通過薄膜鈮酸鋰集成電光調制器改變單光子顏色

背景和原理

時間和頻率是不可分割的。光同時有波動性和粒子性。作為波，它的相位隨著時間在進行周期性的變化，而這個變化的速度就是光的頻率， 而它也決定了光的顏色。

如圖2所示，給一個光子施加一個隨著時間線性變化的相位就像在加速或者減慢它的震動。這樣就直接導致了該光子的頻率變化。類似的，如果我們給一個光子施加非線性相位變化，光子就像看到了一個時間上彎曲的透鏡，它的頻率形態就可以被壓縮或者展寬。

圖二：動態相位調制可以控制光子頻率和帶寬

此類基于電光調制的光譜控制已被廣泛應用于超快光學中。但它們在集成芯片上卻很少被展示，尤其在量子領域。這是因為施加動態相位需要一個重要的器件—電光相位調制器。然而，主流集成光學材料，比如硅和氮化硅，缺乏電光性質，從而無法實現高速、低損耗電光調制。

近年來，薄膜鈮酸鋰逐漸成為一種新型集成光學材料。此材料有良好的的非線性和電光效應，非常適于量子和非線性應用。此前基于此平臺研發出了遠超傳統器件的高性能電光調制器。這些調制器具有體積小，帶寬高，低電壓等優勢。

近日，研究者引用“雙通”的新設計 （圖一）進一步優化了薄膜鈮酸鋰相位調制器，使其高頻半波電壓大大降低。此器件讓研究者得以高效控制單光子頻率，用千兆赫茲微波調制實現太赫茲光子頻率偏移。此外，研究者還使用時間透鏡原理展示了單光子帶寬壓縮。

實驗過程和結果

在實驗中，研究人員首先產生脈沖孿生光子對 (紅外波段)，然后將它們分開，取其中的一個光子并讓其通過集成調制器。通過在調制器上施加正弦微波信號并且將其與光子同步（圖三），研究人員完成了高達±641 GHz的頻率偏移。這是現有基于電調控的最大的單光子頻率偏移。

圖三：單光子頻率偏移。當光子被同步到調制信號上升沿時，光子會產生藍移；反之會產生紅移

為了驗證這個方法能保留光子的其他量子性質，研究人員進一步進行了Hong-Ou-Mandel (HOM) 干涉實驗。HOM干涉是指當兩個完全一樣的光子在一個分光鏡相遇，它們一定會從同一個出口出來。當兩個光子顏色不同時， 它們無法產生干涉現象。

然而，當實驗者對其中一個光子施加頻率調控后，這兩個光子變成了同樣的顏色，從而產生了高可見度量子干涉（圖四）。此實驗驗證了該操控方法適用于量子應用。

圖四：通過頻率調控可以讓兩個不同顏色的單光子發生量子干涉

此外，研究人員使用同一個調制器，利用時間透鏡的原理，展示了單光子帶寬壓縮。通過給光子施加合適的色散，并將它同步到調制信號的波谷，實驗者將一個6.55 nm帶寬的單光子壓縮到了0.35 nm，超過18 倍壓縮率。

圖五：同樣的集成電光調制器可以實現時間透鏡從而壓縮單光子帶寬

對單光子的頻譜操控在量子網絡中有著重要意義。這是因為不同的量子光源或者量子儲存器往往有不同的頻率和帶寬。如果想要連接它們并達到高效信息交換，它們的頻率和帶寬必須同步。

總結和展望

在這項工作中，研究人員利用新型薄膜鈮酸鋰調制器完成了創紀錄的片上單光子頻率操控。該器件體積小、性能高。最重要的是，它能高密度地和其它重要器件（例如單光子源，單光子探測器，微腔等）集成在同一個芯片上，從而完成更復雜和有挑戰性的量子操控。后續研究者將進一步開展頻域量子信息處理的研究，并且探索它們在量子計算和量子網絡的相關應用。

審核編輯：劉清