光子量子技术成为主流

对于该领域以外的人来说，激光是一个大型实验室设备。它并不是一个小到肉眼看不见的光子结构。然而今天，得益于先进纳米制造技术，得以让激光器、波导、探测器以及更多微型化的光学结构不仅可以实现，而且变得相当普遍。

芯片上的Hong-Ou-Mandel样品

它们为开发新型光子量子系统和量子技术应用奠定了基础，其中一些应用如今已经面世。例如，十多年前，首批商用量子密钥分发系统问世，该系统将信息编码为光子，以实现更安全的通信。许多量子光子传感器也已研制成功，包括可精确测量极弱磁场的光泵浦磁强计，用于医疗成像、地质勘探和导航系统。最近，Xanadu Quantum Technologies和ORCA Computing 等公司一直在尝试开发实用的光子量子计算机，并将其实现商业化。

然而，科学界和产业界普遍认为，迄今为止，光子量子技术所能实现的只是皮毛。以可扩展的方式将微型化光学元件集成到芯片上，将带来精密复杂的光子集成电路。最重要的是，量子技术的变革性应用有望为现有和新的应用领域带来好处，改变众多行业。

这就是为什么Christine Silberhorn的OPTO全会“光子量子技术：从集成量子设备到设计可扩展的复杂系统”如此吸引人的原因。人们已经为某些系统集成了光学器件，但你是站在巨人的肩膀上：这很有挑战性，因为需要极高质量的设备，而且必须汇集大量不同的量子知识和理念，并在其他参数空间对其进行定制和开发。

Silberhorn是德国帕德博恩大学的全职教授。她在基础量子光子学领域做出了重大贡献，在世界上首次通过实验证明了光波特性中的纠缠态（量子关联），并证明了非经典关联（即爱因斯坦-波多尔斯基-罗森态）的波和粒子性质同时存在。与此同时，多年来她一直尝试开发实用的、可扩展的集成光子系统，从三个互补的方向攻克这一难题。

她的基础研究重点，是由合成晶体材料铌酸锂制成的工程集成设备。这种材料具有良好的铁电、电光和声光特性，是低损耗集成线性和非线性量子光子学的理想基础。Silberhorn团队将有源光学元件（如频率转换器、电声和声光器件）与无源元件（如定向耦合器、锥形器、分束器、结点等）结合起来，生产出非线性光学波导铌酸锂基板。这些基板为研究人员的许多量子光子实验提供了平台。

“在此基础上，第二个研究方向涉及用脉冲光抽运这些铌酸锂系统，”ilberhorn解释说，“抽运我们的系统将超快光学和量子光学中的集成设备结合在一起。这对参数下转换光源的影响尤为明显，而参数下转换光源正是这些系统的主力。”
参量下变频是一种非线性光学过程，它能将脉冲光源的光子转换成一对能量较低的光子，从而产生单光子或纠缠光子对。该团队已经利用参量下变频来设计集成预示单光子源和集成纠缠光子对源。

Christine Silberhorn（左）与一名学生在量子光学实验室合影

成功的实验

他们还在用脉冲光抽运系统的基础上，创造了许多其他创新的集成铌酸锂器件。他们在这个方向上取得的最大突破之一发生在2019 年，当时Silberhorn的团队在单个集成光子芯片上演示了Hong-Ou-Mandel实验。Hong-Ou-Mandel效应是光量子计算中实现逻辑门的重要物理机制。在这种情况下，进入分光镜的两个光子之间的完美干涉，会导致它们以50:50的几率同时以任一输出模式输出。团队通过在单个芯片上集成量子光子元件来演示这种效应，该芯片能够产生、串联和检测两个单独的光子。

Silberhorn的第三个也是最后一个研究方向更具前瞻性，旨在构建大型、复杂和先进的铌酸锂量子集成电路。更具体地说，她的团队正试图将非线性参量下变频源、无源路由元件（如光束耦合器、分光器和开关）以及主动可控电光元件（如相位调节器和偏振转换器），集成在一个共同的基板上，从而实现特定应用的集成量子电路。

多光子纠缠量子态的产生就是其中一项应用。这种多光子纠缠量子态，是推动多方量子通信、量子传感、量子计量等量子技术发展的关键。2022年，Silberhorn团队发表了一项研究成果，展示了一种能在多个光子之间产生纠缠的方法，其概率远远高于之前可用的方法。

他们使用单一光源，连续产生一对偏振纠缠光子。第一对光子中的一个光子被储存起来，直到随后一对光子中的一个光子被干扰。这个过程一直持续到达到所需的多光子状态。在他们的实验中，Silberhorn及其合作者制造出了四光子和六光子纠缠态，成功率分别比以前高出9倍和35倍。但从原理上讲，这种技术还可以用来产生更高的多光子态。

尽管这是一项令人印象深刻的成就，但获得这些多光子态的实验装置非常庞大和复杂。如今，在量子专用集成电路上缩小这种装置是不可能的。不过，Silberhorn相信，通过多学科合作的方法，总有一天可以实现这种应用。光子量子系统研究所是一个跨学科研究机构，致力于为先进的量子光子设备建模并开发硬件和软件。

Silberhorn预测：我们将看到越来越多的复杂系统，这些系统将更多地集成在小尺寸芯片上，光子学在量子通信、量子计算和量子计量学中至关重要。但要真正把基本理念带到一个平台上，就需要将基础物理学、量子信息科学、计算机科学、数学、电子工程等领域的不同专业知识结合在一起。

正因为如此，Silberhorn在今年不仅要展示她的研究成果，还参加了西部光电大会，她对此感到非常兴奋。我认为展会是一个不同专业知识的大聚会，在这里可以学到很多东西，无论是纳米光子学、超快激光，还是量子学，因为我认为这才是真正的研究，在这里你可以将不同领域的知识汇聚在一起。

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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