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ACTA PHOTONICA SINICA

基于HOM干涉的光子计量技术研究（特邀）

高传武 GAO Chuanwu, 李军刚 LI Jungang, 温佩轩 WEN Peixuan, 杨利伟 YANG Liwei, 朱梦琪 ZHU Mengqi, 俞文凯 Yu Wenkai, 史学舜 SHI Xueshun, 张安宁 ZHANG Anning

Published Jan 1, 2025• 0 citations
Publisher

Abstract

基于Hong-Ou-Mandel干涉的光子计量技术利用全同光子在分束器上的量子干涉效应，对光子不可区分性极为敏感，是评估量子光源和实现超高精度测量的核心工具。首先介绍了光子计量的基本原理和几种常见的光子计量方法，随后阐述了Hong-Ou-Mandel干涉的理论，并展示了基于自发参量下转换纠缠源的实验方案。实验中，通过高精度符合测量，获得了高达85.3%的干涉可见度，验证了光子对的高度不可区分性。通过与多模光纤的对比实验，进一步揭示了空间模式纯度对干涉质量的决定性影响。此外，系统综述了Hong-Ou-Mandel干涉在单光子源性能表征、高精度时间延迟测量及量子增强光谱学中的前沿应用。最后，展望了该技术在芯片级集成、多光子干涉方案等方向的发展前景与挑战。

DOI
10.3788/gzxb20255411.1154303

Related papers

波长可调的量子点纠缠光源（特邀）

陈晨 CHEN Chen, 刘峰 LIU Feng

可按需产生纠缠光子对的量子光源是光量子网络中的重要组成部分。半导体量子点可确定性地产生高纠缠保真度的光子对。基于量子点构建量子网络所需的量子中继单元时，需要多个发光波长一致的高质量纠缠光源。然而量子点形貌、组分和应力的不均一性严重限制了基于量子点的量子中继器的可扩展性。国内外研究团队发展了多种量子点生长后调节技术，成功调节量子点精细结构劈裂并通过联合多个调节自由度实现多维度的调节。本文综述了目前联合多个调节自由度实现发光波长和精细结构劈裂均能调控的实验方案，总结了不同方案的调节方法和研究现状，并介绍了将量子点与光学微腔相结合通过Purcell效应能进一步提升纠缠光源的性能。最后，对该领域的未来发展进行展望。

ACTA PHOTONICA SINICA•Jan 1, 2024•0 citations

腔量子电动力学中光子阻塞效应的研究进展（特邀）

唐静 Tang Jing, 邓元刚 Deng Yuangang

光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•3 citations

基于锁模激光不同时刻脉冲对间双光子干涉的介质色散测量

雷宇航 Yu-hang LEI, 赵雯 Wen ZHAO, 崔亮 Liang CUI +1 more

Hong-Ou-Mandel干涉指不可区分的两个光子分别从两个输入口入射进光学分束器后，倾向于从光学分束器同一输出口出射的现象，在量子信息领域具有广泛应用。作为一种双光子干涉现象，Hong-Ou-Mandel干涉可见度取决于两个入射光场的模式不可区分性，即两者在不同自由度下的模式匹配程度。对于独立脉冲光场的Hong-Ou-Mandel干涉，入射场时间模式的匹配程度是决定干涉图样的关键因素。由此，以锁模激光为光源，以不等臂Mach-Zehnder干涉仪为主要结构的双光子干涉装置可以通过测量干涉图样反映两臂光场的时间模式信息，例如线性啁啾和脉宽，从而实现对光学介质色散的测量。通常，Hong-Ou-Mandel干涉图样需要由两个探测器同步测量的符合计数描绘；本文基于锁模脉冲序列的相干性，提出了一种从单个探测器不同时刻的光子计数事件中统计符合计数，获得干涉图样的方案，该方案涉及两对脉冲间的双光子干涉。实验结果表明，新方案测得的干涉图样可以与实际的Hong-Ou-Mandel干涉图样互补，能用于色散测量等应用。该方法有助于实验装置的简化，对提高装置可靠性具有重要意义。

Acta Sinica Quantum Optica•Jan 1, 2024•0 citations

多光子干涉在量子计算及量子机器学习中的研究进展（特邀）

占浩 Zhan Hao, 胥亮 Xu Liang, 张利剑 Zhang Lijian

多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。

Acta Optica Sinica•Jan 1, 2025•1 citation

光量子精密测量研究进展（特邀）

王犇 Wang Ben, 张利剑 Zhang Lijian

量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一，近些年来一直是量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数，利用量子资源进行量子增强测量，以提升参数测量精度。与其他物理系统相比，光子系统具有相干时间长、不易受到环境干扰等优越性，因而常被用作量子信息处理的载体。以光子为基础的传感器提升传感精度是光量子精密测量的主要任务。介绍了量子精密测量的一般性原理，给出参数估计的量子极限精度下界。同时，介绍了目前光量子精密测量的理论与实验研究进展以及相应的挑战。

Chinese Journal of Lasers•Jan 1, 2024•11 citations

新型固体材料中的单光子源：从调控到集成（特邀）

刘晓婧 Liu Xiaojing, 刘越 Liu Yue, 曲广媛 Qu Guangyuan +1 more

固体材料中的单光子源是利用固态材料中的点缺陷或激子产生单光子辐射的一种量子光源，这类光源具有高稳定性、易于操作、高集成度和高效率等优点，在量子信息处理、量子传感和量子光学等领域具有广泛的应用前景。本文首先对不同类型的新型固态材料中的单光子源进行分类介绍和优劣比较，并重点探讨调控单光子源性能的常见方法和技术，包括应力工程、温度调控、电场调谐和表面等离激元耦合等。然后介绍了新型固体材料中单光子源在集成光芯片方面的最新进展与挑战，以及在量子通信、量子计算和量子密钥分发等方面的应用实例。最后总结了该研究领域目前存在的挑战和未来的发展方向，旨在为读者提供关于新型固态材料单光子源的全面而简明的概述。

Laser & Optoelectronics Progress•Jan 1, 2025•0 citations
基于Hong-Ou-Mandel干涉的光子计量技术利用全同光子在分束器上的量子干涉效应，对光子不可区分性极为敏感，是评估量子光源和实现超高精度测量的核心工具。首先介绍了光子计量的基本原理和几种常见的光子计量方法，随后阐述了Hong-Ou-Mandel干涉的理论，并展示了基于自发参量下转换纠缠源的实验方案。实验中，通过高精度符合测量，获得了高达85.3%的干涉可见度，验证了光子对的高度不可区分性。通过与多模光纤的对比实验，进一步揭示了空间模式纯度对干涉质量的决定性影响。此外，系统综述了Hong-Ou-Mandel干涉在单光子源性能表征、高精度时间延迟测量及量子增强光谱学中的前沿应用。最后，展望了该技术在芯片级集成、多光子干涉方案等方向的发展前景与挑战。
可按需产生纠缠光子对的量子光源是光量子网络中的重要组成部分。半导体量子点可确定性地产生高纠缠保真度的光子对。基于量子点构建量子网络所需的量子中继单元时，需要多个发光波长一致的高质量纠缠光源。然而量子点形貌、组分和应力的不均一性严重限制了基于量子点的量子中继器的可扩展性。国内外研究团队发展了多种量子点生长后调节技术，成功调节量子点精细结构劈裂并通过联合多个调节自由度实现多维度的调节。本文综述了目前联合多个调节自由度实现发光波长和精细结构劈裂均能调控的实验方案，总结了不同方案的调节方法和研究现状，并介绍了将量子点与光学微腔相结合通过Purcell效应能进一步提升纠缠光源的性能。最后，对该领域的未来发展进行展望。
光子阻塞效应是腔量子电动力学中的核心非线性现象，通过抑制多光子激发实现单光子或光子束的确定性调控，为量子信息科学的发展提供了关键物理手段。当前研究主要聚焦于常规光子阻塞与非常规光子阻塞两大机制：前者依赖原子-腔强耦合诱导的非谐性能级劈裂，通过能谱非均匀性有效抑制多光子跃迁；后者则利用多路径间的破坏性量子干涉效应，即便在弱耦合条件下也能抑制双光子激发，从而显著降低了对强非线性的需求。两者的协同作用可进一步优化光子阻塞的性能，显著提升阻塞效率。近年来，该领域研究不断拓展至非互易光子阻塞、非线性耗散调控等方向，不仅为理解量子光学中的非线性行为提供了更丰富的理论框架，也为量子信息处理、量子计算和量子精密测量等应用奠定了技术基础。此外，多光子阻塞及其扩展机制的研究也为发展多光子量子技术提供了重要支撑。本综述系统梳理了单光子阻塞、多光子阻塞及其拓展机制的实现方案与最新研究进展，重点探讨其在单光子源、量子信息处理及量子网络等前沿领域的潜在应用。最后，展望了光子阻塞效应未来的发展方向，包括新型非常规光子阻塞机制的探索，以及其在大规模量子信息系统中的应用前景。
Hong-Ou-Mandel干涉指不可区分的两个光子分别从两个输入口入射进光学分束器后，倾向于从光学分束器同一输出口出射的现象，在量子信息领域具有广泛应用。作为一种双光子干涉现象，Hong-Ou-Mandel干涉可见度取决于两个入射光场的模式不可区分性，即两者在不同自由度下的模式匹配程度。对于独立脉冲光场的Hong-Ou-Mandel干涉，入射场时间模式的匹配程度是决定干涉图样的关键因素。由此，以锁模激光为光源，以不等臂Mach-Zehnder干涉仪为主要结构的双光子干涉装置可以通过测量干涉图样反映两臂光场的时间模式信息，例如线性啁啾和脉宽，从而实现对光学介质色散的测量。通常，Hong-Ou-Mandel干涉图样需要由两个探测器同步测量的符合计数描绘；本文基于锁模脉冲序列的相干性，提出了一种从单个探测器不同时刻的光子计数事件中统计符合计数，获得干涉图样的方案，该方案涉及两对脉冲间的双光子干涉。实验结果表明，新方案测得的干涉图样可以与实际的Hong-Ou-Mandel干涉图样互补，能用于色散测量等应用。该方法有助于实验装置的简化，对提高装置可靠性具有重要意义。
多光子干涉是由全同光子在多模线性光网络中产生的联合量子干涉效应，属于光量子系统中一类核心的非经典现象，也是光量子信息处理的重要资源。近年来，随着光量子信息技术的迅速发展，多光子干涉在通用光量子逻辑门的构建以及经典计算机难以模拟的玻色采样等量子计算任务中发挥着关键作用。其中，玻色采样能够在通用量子计算成熟之前率先展示量子优越性，因而自提出以来持续受到广泛关注。与此同时，面向光量子平台的量子机器学习架构不断涌现，致力于将多光子干涉所蕴含的计算能力与机器学习模型结合，推动具有实用价值的量子优势发展。首先，系统回顾多光子干涉的基本原理，涵盖线性光网络模型、积和式描述及玻色采样的计算复杂性；其次，重点介绍其在量子计算中的应用，包括线性光学量子计算架构、基于多光子干涉的量子逻辑门及其应用，以及玻色采样的实验进展；接着，讨论其在量子机器学习领域的创新应用，如量子核方法、光量子神经网络和光量子储备池计算等；最后，总结当前的关键挑战与瓶颈，并对其未来研究方向进行展望。
量子精密测量作为当代量子力学的主要应用方面之一，近些年来一直是量子科技的重要研究和发展方向。量子精密测量的主要研究目标是针对物理系统中的未知参数，利用量子资源进行量子增强测量，以提升参数测量精度。与其他物理系统相比，光子系统具有相干时间长、不易受到环境干扰等优越性，因而常被用作量子信息处理的载体。以光子为基础的传感器提升传感精度是光量子精密测量的主要任务。介绍了量子精密测量的一般性原理，给出参数估计的量子极限精度下界。同时，介绍了目前光量子精密测量的理论与实验研究进展以及相应的挑战。
固体材料中的单光子源是利用固态材料中的点缺陷或激子产生单光子辐射的一种量子光源，这类光源具有高稳定性、易于操作、高集成度和高效率等优点，在量子信息处理、量子传感和量子光学等领域具有广泛的应用前景。本文首先对不同类型的新型固态材料中的单光子源进行分类介绍和优劣比较，并重点探讨调控单光子源性能的常见方法和技术，包括应力工程、温度调控、电场调谐和表面等离激元耦合等。然后介绍了新型固体材料中单光子源在集成光芯片方面的最新进展与挑战，以及在量子通信、量子计算和量子密钥分发等方面的应用实例。最后总结了该研究领域目前存在的挑战和未来的发展方向，旨在为读者提供关于新型固态材料单光子源的全面而简明的概述。