中科大實(shí)現(xiàn)軌道角動(dòng)量光子的量子頻率轉(zhuǎn)換

　　中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦領(lǐng)導(dǎo)的中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在軌道角動(dòng)量(OAM)光子的量子頻率轉(zhuǎn)換研究領(lǐng)域取得系列進(jìn)展：該實(shí)驗(yàn)室教授史保森領(lǐng)導(dǎo)的小組在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了OAM單光子、OAM糾纏光子以及OAM與偏振組成的混合糾纏光子的頻率上轉(zhuǎn)換，證明了在頻率變換過程中單光子的量子相干性和光子對(duì)的糾纏特性保持不變。主要研究成果分別發(fā)表在《光：科學(xué)與應(yīng)用》[Light: Sci. & Appl. 5, e16019 (2016)]和8月29日的《物理評(píng)論快報(bào)》[Phys. Rev. Lett. 117, 103601(2016)]上。論文的第一作者為博士后周志遠(yuǎn)。

　　攜帶OAM的光束在精密測(cè)量、微小粒子的囚禁與操控以及基礎(chǔ)物理研究等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用，同時(shí)基于OAM編碼的光信息處理由于其信道容量大的優(yōu)點(diǎn)已成為光通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；贠AM編碼構(gòu)建高維量子網(wǎng)絡(luò)是目前量子信息領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，并在近幾年取得了許多突破性進(jìn)展，如史保森小組在國(guó)際上首先實(shí)現(xiàn)了OAM單光子[Nat. Commun. 4, 2527(2013)]以及OAM糾纏[Phys. Rev. Lett. 114, 050502 (2015)]的量子存儲(chǔ)。在量子通信中，作為信息載體的光子需要在低損耗的通信窗口傳輸，而作為信息存儲(chǔ)和處理單元的物理體系其工作波長(zhǎng)一般不在通信窗口，因此需要在兩者之間建立量子接口以滿足量子信息既可被存儲(chǔ)又能長(zhǎng)距離傳輸?shù)幕疽?，基于非線性過程的光子頻率轉(zhuǎn)換就是建立量子接口的一種行之有效的方法。能夠?qū)崿F(xiàn)該功能的轉(zhuǎn)換器可稱為量子頻率變換器，其基本要求是除了能夠按照需要變換光子的頻率之外，更重要的是不能破壞原有量子態(tài)的量子關(guān)聯(lián)與相干特性。盡管人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高斯單光子以及糾纏光子的頻率轉(zhuǎn)換，然而迄今為止能否實(shí)現(xiàn)和如何實(shí)現(xiàn)OAM光子以及OAM糾纏光子的頻率轉(zhuǎn)換仍然是一個(gè)"open question"。

　　中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授史保森和博士后周志遠(yuǎn)等從2012年就開始了攜帶OAM光束的非線性頻率轉(zhuǎn)換研究，取得了一系列進(jìn)展[OL 37，3270 (2012);PRA 85，053815(2012);OE 22, 20298(2014);OE 22, 23673(2014); J. Opt. Soc. Am. B 32, 407 (2015)]，并在此基礎(chǔ)上取得重要突破：他們利用周期性非線性晶體作為變頻介質(zhì)，采用外腔共振技術(shù)提高轉(zhuǎn)換效率，首次成功實(shí)現(xiàn)了OAM單光子從紅外到可見波段之間的頻率上轉(zhuǎn)換，并證明了在頻率轉(zhuǎn)換過程中光子的非經(jīng)典關(guān)聯(lián)和量子相干性保持不變，邁出了基于頻率轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)量子接口的關(guān)鍵一步[light: Science & Applications 5, e16019(2016)]。最近，他們又將這項(xiàng)技術(shù)提升到一個(gè)全新的高度：在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了OAM糾纏光子以及OAM與偏振組成的混合糾纏光子從紅外到可見波段的頻率轉(zhuǎn)換，并且驗(yàn)證了光子的糾纏特性在轉(zhuǎn)換過程中保持不變[Phys. Rev. Lett. 117, 103601(2016)]。這一系列工作對(duì)實(shí)現(xiàn)在不同波長(zhǎng)的OAM量子網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接和量子信息交互具有重要意義。

　　這一系列工作也開辟了量子光學(xué)與非線性光學(xué)研究的新篇章，為研究高維OAM量子態(tài)的相干波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換、極弱光強(qiáng)下復(fù)雜空間光場(chǎng)的上轉(zhuǎn)換探測(cè)以及短波長(zhǎng)OAM光束的制備具有重要價(jià)值。此外，由于紅外圖像信號(hào)在遙感、夜視、天文觀測(cè)等領(lǐng)域具有非常重要的作用，因而紅外圖像的高精度探測(cè)尤為重要，但常用的紅外探測(cè)存在設(shè)備精度低、分辨率不高、探測(cè)效率低且設(shè)備昂貴等一系列問題。將圖像信號(hào)通過頻率上轉(zhuǎn)換至可見波段，利用高精度、高靈敏度且價(jià)格低廉的可見波段探測(cè)設(shè)備進(jìn)行探測(cè)是解決以上問題的一條有效途徑。史保森小組所取得的系列成果對(duì)構(gòu)建紅外信號(hào)上轉(zhuǎn)換探測(cè)器，解決紅外圖像信號(hào)、特別是微弱信號(hào)的檢測(cè)具有重要價(jià)值。

　　這項(xiàng)工作得到國(guó)家基金委、中科院、科技部和量子信息與量子科技前沿協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。

　　OAM糾纏光子頻率轉(zhuǎn)換示意圖