金銳博,田 穎

(1.武漢工程大學(xué) 光學(xué)信息與模式識(shí)別湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430205;2.廣東省量子科學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南方科技大學(xué))，廣東 深圳 518055)

量子力學(xué)自誕生以來(lái)經(jīng)歷了兩次革命.第1次革命基于量子力學(xué)原理開發(fā)出的新型器件(其原理不涉及量子糾纏)，如激光、晶體管等，這些器件改變了世界的面貌.第2次革命則聚焦于量子信息技術(shù)和量子器件(其原理與量子糾纏緊密相關(guān))，如量子計(jì)算、量子通信、量子傳感、量子模擬等技術(shù)及其相關(guān)器件.這些量子信息技術(shù)和器件，使人類跨越到量子信息技術(shù)的新時(shí)代.

目前，量子信息技術(shù)采用的量子光源的波長(zhǎng)主要位于可見(jiàn)光和近紅外光波段，而對(duì)于波長(zhǎng)位于中紅外波段的量子光源研究才剛起步.傳統(tǒng)的中紅外探測(cè)技術(shù)在光學(xué)測(cè)量、光學(xué)傳感、光學(xué)通信、光學(xué)成像等方面已有廣泛應(yīng)用.在量子信息技術(shù)時(shí)代，中紅外波段的量子傳感技術(shù)應(yīng)用前景更加廣闊.該文擬綜述中紅外波段量子光源的最新研究進(jìn)展.該文分為3個(gè)部分：首先，概述研究中紅外波段量子光源的意義；然后，綜述中紅外波段單光子源和糾纏光源的研究進(jìn)展；最后，對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行展望.

1 研究中紅外波段量子光源的意義

紅外光譜是電磁波頻譜(見(jiàn)圖1)的一部分.

圖1 電磁波的頻譜(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[4])

紅外光譜可分為：近紅外光譜區(qū)(0.78～2 μm)、中紅外光譜區(qū)(2～20 μm)和遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)(25～300 μm).近紅外光譜源于分子的倍頻、和頻，主要應(yīng)用于農(nóng)副產(chǎn)品、有機(jī)化工產(chǎn)品分析等方面.遠(yuǎn)紅外光譜源于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和某些基團(tuán)的振動(dòng)，主要應(yīng)用于毒品快速檢測(cè)領(lǐng)域.中紅外光譜源于分子的基頻振動(dòng)，在以下方面具有優(yōu)勢(shì).

(1) 氣體檢測(cè).中紅外波段幾乎包含所有氣體分子的基本吸收帶，因此氣體檢測(cè)的相關(guān)技術(shù)需使用中紅外波段的光.圖2展示了通過(guò)中紅外波可探測(cè)的氣體分子及其應(yīng)用.

圖2 通過(guò)中紅外波可探測(cè)的氣體分子及其應(yīng)用(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[8])

(2) 空間長(zhǎng)距離通信.圖3為大氣的吸收光譜.從圖3可看出，由于CO，HO，O分子的吸收，部分光的透過(guò)率很低，但中紅外波段大部分光的透過(guò)率超過(guò)60%，還有的超過(guò)90%.由于大氣具有高透光率、弱湍流、弱背景噪聲等優(yōu)點(diǎn)，因此3～5 μm的大氣窗口非常適合空間長(zhǎng)距離通信.

圖3 大氣的吸收光譜(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[9])

(3) 紅外熱成像.自然界的任何物體，只要溫度高于絕對(duì)零度，均會(huì)向外輻射電磁波.圖4為基于黑體輻射理論的溫度與波長(zhǎng)間的關(guān)系曲線.從圖4可知，室溫物體發(fā)出的電磁波分布于中紅外波段.中紅外波段光源廣泛應(yīng)用于新型熱相機(jī).常用的紅外熱成像儀的工作波長(zhǎng)位于兩個(gè)紅外 “大氣窗口”：3～5 μm，8～14 μm.人體輻射的波長(zhǎng)峰值在9.5 μm附近.

圖4 基于黑體輻射理論的輻射波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系曲線(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[12])

(4) 光纖通信.目前的光通信波長(zhǎng)主要集中在近紅外波段，但是隨著信息的爆炸增長(zhǎng)，傳統(tǒng)的近紅外波段的頻譜資源已不能滿足海量數(shù)據(jù)的通信需求，人們正在考慮中紅外波段的光纖通信技術(shù).

基于以上4方面的優(yōu)勢(shì)，中紅外波在經(jīng)典的光學(xué)傳感、通信、成像等方面有廣泛應(yīng)用.如果能將這些優(yōu)勢(shì)拓展至量子領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)中紅外波段的量子傳感、量子通信、量子成像，則有更廣闊的應(yīng)用前景.在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，中紅外波段的單光子源可用于超低光下的醫(yī)學(xué)成像、生物樣本成像和熱成像；在軍事領(lǐng)域，可用于自由空間量子安全通信、目標(biāo)定位的量子激光雷達(dá)；在材料研究領(lǐng)域，可在少光子狀態(tài)下檢測(cè)化學(xué)樣品.

中紅外波段量子光源包括下面兩種：中紅外波段(下文簡(jiǎn)稱中紅外)單光子源和糾纏光源.與強(qiáng)光源相比，中紅外的單光子源優(yōu)點(diǎn)為：可使軍事應(yīng)用更加隱秘，醫(yī)學(xué)應(yīng)用對(duì)人體更加安全.與單光子源相比，中紅外糾纏光源優(yōu)點(diǎn)為：測(cè)量的精度更高，可把測(cè)量精度從量子噪聲極限推進(jìn)至海森堡極限.當(dāng)然，目前中紅外量子光源也存在不足，主要是目前的技術(shù)尚不夠成熟，檢測(cè)成本相對(duì)于強(qiáng)光偏高，相關(guān)技術(shù)有待探索.

2 中紅外量子光源的研究進(jìn)展

2.1 中紅外單光子源的研究進(jìn)展

2.1.1 利用PPLN波導(dǎo)制備3.9 μm的中紅外單光子源

文獻(xiàn)[21]利用激光脈沖(重復(fù)頻率為10 MHz，脈沖寬度為130 ps)在PPLN (periodically poled lithium niobite)波導(dǎo)(長(zhǎng)度為22 mm，極化周期為16.7 μm)中，實(shí)現(xiàn)了650 nm→780 nm+3 950 nm的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程，制備了中紅外單光子.中紅外單光子源的制備過(guò)程如圖5所示.通過(guò)硅基APD (avalanche photo diode)測(cè)量780 nm的單光子，使用和頻(頻率上轉(zhuǎn)換)方法探測(cè)3 950 nm的單光子.780 nm的光子對(duì)應(yīng)銣原子的D2線，可實(shí)現(xiàn)原子存儲(chǔ)，而3 950 nm位于大氣窗口，通過(guò)該波長(zhǎng)的光可實(shí)現(xiàn)低損耗低散射的自由空間傳輸.

圖5 中紅外單光子源的制備過(guò)程(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[21])

2.1.2 利用PPLN晶體制備3.3 μm的中紅外單光子源

文獻(xiàn)[22]用1 550 nm的連續(xù)光泵浦PPLN晶體(該晶體上刻蝕了16個(gè)極化周期，周期為34.48 μm)，通過(guò)SPDC (spontaneous parametric down-conversion)過(guò)程產(chǎn)生了2 890 nm的信號(hào)光和3 343 nm的閑頻光.采用一個(gè)高度集成的上轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行探測(cè)，最后對(duì)符合計(jì)數(shù)進(jìn)行測(cè)量.實(shí)驗(yàn)裝置及探測(cè)模塊如圖6所示.探測(cè)模塊中，使用高精細(xì)的激光腔，利用功率高達(dá)100 W的1 064 nm激光在PPLN晶體中產(chǎn)生和頻，把3 μm的下轉(zhuǎn)換光調(diào)到800 nm附近.為提高雙轉(zhuǎn)換效率，對(duì)激光的光斑進(jìn)行了優(yōu)化.采用上轉(zhuǎn)換模塊+硅基APD(avalanche photo diode)的方案，在常溫下實(shí)現(xiàn)了6.5%的量子探測(cè)效率，高于超導(dǎo)納米線探測(cè)器在低溫條件下的典型效率(2%).

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置 (a)及探測(cè)模塊(b)(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[22])

2.1.3 利用6種非線性材料制備中紅外單光子源

文獻(xiàn)[23]挑選了6種非常有前景的非線性材料晶體，在理論上研究了如何利用它們的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程制備中紅外的單光子源.這6種非線性晶體為：雙折射氧化物PPLN和PPKTP (periodically poled KTiOPO)、雙折射黃銅礦CdSiP(CSP)和ZnGeP(ZGP)、準(zhǔn)相位匹配的半導(dǎo)體OP-GaP和OP-GaAs(OP 為orientation patterning的縮寫).圖7展示了6種非線性晶體的光學(xué)透明度.由圖7可知，它們?cè)谥屑t外均有極佳的透光度.這些晶體均有非常高的有效非線性系數(shù)，特別是OP-GaAs晶體，該值高達(dá)95 pm·V.詳細(xì)研究了這些晶體的群速度匹配條件和相位匹配條件，指出可利用這些晶體產(chǎn)生波長(zhǎng)簡(jiǎn)并、光譜無(wú)關(guān)聯(lián)的雙光子態(tài).該理論工作為制備性能優(yōu)異的中紅外單光子源提供了基礎(chǔ).

圖7 6種中紅外非線性晶體的光學(xué)透明度(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[23])

2.1.4 利用OP-GaP晶體制備中紅外單光子源

文獻(xiàn)[24]利用OP-GaP晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程，制備了中紅外單光子源.為了表征下轉(zhuǎn)換光譜，使用超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)和色散補(bǔ)償模塊(DCM)制作了光譜儀，如圖8(a)所示.圖8(b)為利用OP-GaP晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程制備中紅外單光子的實(shí)驗(yàn)裝置.用864.5 nm的連續(xù)激光聚焦于非線性晶體OP-GaP上，得到1 350 nm的信號(hào)光和2 400 nm的閑頻光.

圖8 基于DCM和SNSPD的光譜儀(a)；利用OP-GaP晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程制備中紅外單光子的實(shí)驗(yàn)裝置(b) (資料來(lái)源：文獻(xiàn)[24])

2.1.5 利用功能性鐵電材料PMN-0.38PT制備中紅外單光子源

文獻(xiàn)[25]研究了功能性鐵電材料鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PMN-0.38PT)的0型、I型和II型相位匹配條件，制備了波長(zhǎng)為5～6 μm的純態(tài)單光子源.此材料的優(yōu)點(diǎn)在于其僅需弱電壓就可以實(shí)現(xiàn)180°極化切換，可對(duì)極化周期進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控.通過(guò)切換晶體兩側(cè)黃色電極的正負(fù)，可改變每個(gè)極化域的極化周期，如圖9(a)所示.極化周期的改變可導(dǎo)致聯(lián)合頻譜振幅的變化，如圖9(b)所示.在波長(zhǎng)簡(jiǎn)并情況下，不同極化周期所對(duì)應(yīng)的信號(hào)光/閑頻光中心波長(zhǎng)的分布情況，如圖9(c)所示.對(duì)PMN-0.38PT的相位匹配條件和群速度匹配條件進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值計(jì)算，討論了與制備頻域無(wú)關(guān)聯(lián)的純態(tài)單光子源.該研究將一類新的功能性材料引入量子光學(xué)領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)極化周期實(shí)時(shí)可調(diào)、頻譜分布可編碼的單光子源奠定了理論基礎(chǔ).

圖9 改變極化周期的示意圖(a)；極化周期的改變導(dǎo)致聯(lián)合頻譜振幅變化的情況(b)； 在波長(zhǎng)簡(jiǎn)并情況下，不同極化周期所對(duì)應(yīng)的信號(hào)光/閑頻光中心波長(zhǎng)的分布情況(c)(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[25])

2.1.6 利用硅基波導(dǎo)制備中紅外單光子源

文獻(xiàn)[26]利用硅基波導(dǎo)制備了中紅外單光子源.該波導(dǎo)由二氧化硅和硅材料組成(見(jiàn)圖10(a)).由圖10(b)可知，泵浦光的工作波長(zhǎng)為2 μm，基于四波混頻過(guò)程產(chǎn)生的雙光子波長(zhǎng)也位于2 μm附近.此外，實(shí)驗(yàn)得到的最大符合計(jì)數(shù)為448 Hz，符合計(jì)數(shù)與偶然計(jì)數(shù)的比值為25.7，雙光子量子干涉的可見(jiàn)度為0.993.該工作為基于半導(dǎo)體工藝的中紅外量子光源的開發(fā)奠定了基礎(chǔ).

圖10 波導(dǎo)截面的掃描電子顯微照片(a)；基于受激四波混頻的實(shí)測(cè)歸一化功率譜密度(b)(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[26])

2.1.7 利用摻雜的PPLN晶體制備中紅外單光子源

傳統(tǒng)上，PPLN可通過(guò)摻雜不同的元素改善其性能.例如：通過(guò)摻雜Mg和Zr，可把PPLN的透光區(qū)域從可見(jiàn)光波段擴(kuò)展至紫外波段；通過(guò)摻雜Zn可提高電光系數(shù)；通過(guò)摻雜Fe，可改善PPLN的光折射能力；通過(guò)摻雜稀土元素(如Tm, Er, Dy, Tb, Gd, Pr)，可使PPLN成為激光和量子存儲(chǔ)器的候選材料.受上述研究啟發(fā)，文獻(xiàn)[32]研究了PPLN摻雜晶體的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過(guò)程，在中紅外波段制備了頻譜無(wú)關(guān)的雙光子態(tài)，并提出摻雜可作為操縱中紅外雙光子態(tài)的1個(gè)自由度.對(duì)3種摻雜晶體的相位匹配條件和群速度匹配條件進(jìn)行了研究.在不同摻雜濃度下，MgLN, ZnLN, InZnLN晶體的相位匹配角與信號(hào)光/閑頻光波長(zhǎng)的關(guān)系如圖11所示.3種晶體的極化周期與信號(hào)光/閑頻光波長(zhǎng)的關(guān)系如圖12所示.數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，InZnLN的調(diào)諧范圍可達(dá)678.7 nm，遠(yuǎn)高于溫度變化帶來(lái)的調(diào)諧范圍(溫度變化100 ℃時(shí)，調(diào)諧范圍小于100 nm).這表明摻雜可作為調(diào)控雙光子態(tài)聯(lián)合頻譜分布的1個(gè)自由度.該工作為中紅外高質(zhì)量單光子源的開發(fā)提供了新的思路.

圖11 3種晶體的相位匹配角與信號(hào)光/閑頻光波長(zhǎng)的關(guān)系(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[32])

圖12 3種晶體的極化周期與信號(hào)光/閑頻光波長(zhǎng)的關(guān)系(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[32])

2.2 中紅外糾纏光源的研究進(jìn)展

2.2.1 利用p摻雜半導(dǎo)體量子阱制備中紅外糾纏光源

文獻(xiàn)[33]研究了p型摻雜半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)，利用價(jià)帶躍遷的SPDC過(guò)程制備中紅外糾纏光源.使用的材料結(jié)構(gòu)為AlGaAs/GaAs/AlGaAs/GaAs/AlGaAs，以GaAs為阱，以AlGaAs作阻擋層，Al的含量為48%.只考慮

XXZ

偏振，且泵浦波長(zhǎng)范圍為5.18～7.76 μm(160 ～240 meV)時(shí)，對(duì)應(yīng)的下轉(zhuǎn)換光子的波長(zhǎng)為泵浦波長(zhǎng)的2倍.將相互作用長(zhǎng)度限制在100 μm以內(nèi)時(shí)，存在一個(gè)最佳空穴密度，使SPDC效率最大，如圖13所示.計(jì)算發(fā)現(xiàn)：該量子阱的最佳結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度相當(dāng)小，可使空穴密度達(dá)到目前實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的最大值.該量子阱的帶寬較大，具有較高的實(shí)用價(jià)值.

圖13 空穴密度與雙光子產(chǎn)生效率的關(guān)系(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[33])

2.2.2 利用PPKN晶體制備中紅外偏振糾纏光源

文獻(xiàn)[34]基于PPKN(periodically poled potassium niobate)的SPDC過(guò)程，制備了中紅外偏振糾纏光源.圖14為具有周期180，90°極化域結(jié)構(gòu)的PPKN晶體示意圖.這兩種極化周期對(duì)應(yīng)的群速度匹配波長(zhǎng)分別為3 800，4 030 nm.對(duì)有效非線性系數(shù)、相位匹配帶寬、極化周期等參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算.該工作為中紅外偏振糾纏光源的制備提供了一種新方案.

圖14 具有周期180°(a)，90°(b)極化域結(jié)構(gòu)的PPKN晶體示意圖(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[34])

2.2.3 利用PPLN晶體制備中紅外偏振糾纏光源

文獻(xiàn)[35]利用1.045 μm的泵浦光(重復(fù)頻率為80 MHz，時(shí)域?qū)挾葹?27 fs)激發(fā)PPLN晶體(0型匹配，長(zhǎng)1 mm)，在2.1 μm處產(chǎn)生偏振糾纏光子對(duì).制備和探測(cè)偏振糾纏光源的實(shí)驗(yàn)裝置如圖15所示.使用兩臺(tái)超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)效率分別約為2.0%，1.0%.對(duì)雙光子的Hong-Ou-Mandel干涉進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，可見(jiàn)度達(dá)88.1%，表明雙光子間有較高的不可區(qū)分度.對(duì)Bell不等式進(jìn)行了驗(yàn)證，測(cè)得

S

值為2.2±0.09，表明雙光子具有一定的糾纏度.該工作為中紅外的量子糾纏態(tài)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

圖15 制備和探測(cè)偏振糾纏光源的實(shí)驗(yàn)裝置(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[35])

3 總結(jié)與展望

中紅外量子光源的研究剛剛興起，可以預(yù)見(jiàn)單光子源及糾纏光源的理論和實(shí)驗(yàn)研究將會(huì)涌現(xiàn)很多成果.該文概述了研究中紅外量子光源的意義，綜述了研究進(jìn)展.希望該文能引起中紅外量子光源領(lǐng)域科研人員深入研究的興趣.

展望未來(lái)，中紅外波的研究可能向以下3個(gè)方向發(fā)展：

(1) 非線性光學(xué)晶體.需要開發(fā)效率更高、覆蓋范圍更廣的中紅外非線性光學(xué)晶體.目前最常用的PPLN晶體，僅能覆蓋5 μm以下的波段.然而，國(guó)防安全、工業(yè)監(jiān)控、醫(yī)療診斷等場(chǎng)合需要7～12 μm波段，因此需要開發(fā)波長(zhǎng)覆蓋7～12 μm的非線性光學(xué)晶體.

(2) 單光子探測(cè)器.目前在近紅外波段性能表現(xiàn)最優(yōu)的超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(SNSPD)的探測(cè)效率非常低，僅2%；采用上轉(zhuǎn)換模塊+硅基APD的探測(cè)效率也只有6.5%.因此，很有必要尋找高性能的探測(cè)方法.例如：采用新材料開發(fā)SNSPD；通過(guò)更高效的非線性過(guò)程，把中紅外的單光子轉(zhuǎn)換至近紅外波段進(jìn)行探測(cè).

(3) 應(yīng)用場(chǎng)景.目前中紅外量子技術(shù)的研究，主要集中于糾纏光源和單光子源開發(fā)，而拓展這些量子光源的應(yīng)用場(chǎng)景才是最終目的.例如：將量子光源和量子探測(cè)器結(jié)合在一起，獲得更高的測(cè)量精度及靈敏度、更寬的測(cè)量范圍.