非相干光泵浦片上量子态生成：突破相干性限制的高亮度量子光源新范式

《Nature Communications》：On-chip quantum states generation by incoherent light

本研究针对传统量子光源对泵浦激光相干性要求严苛的问题，探索了利用时间非相干光（ASE）通过硅波导中自发四波混频（SFWM）过程生成量子态的新方法。结果表明，非相干泵浦不仅能提高光子对生成率（PGR）超过40%，还能降低光谱关联性，从而获得更高纯度的量子态和更优的量子关联特性（如CAR值达345，gH(2)(0)更低），并成功制备出贝尔不等式破缺值S=2.64±0.02、保真度95.7%的偏振纠缠态。该研究打破了“高质量量子光源必须依赖相干泵浦”的传统认知，为单片集成量子光子学提供了更简易、稳定的泵浦方案。

　　

在量子信息技术的快速发展中，集成光子学扮演着变革性的角色，它不仅确保了量子系统的可扩展性和紧凑性，还深化了人们对基本量子原理的理解。片上量子光源，特别是基于非线性过程的集成光子对源，已成为量子信息处理的关键组件。长期以来，科学界普遍认为泵浦光的相干性对于保证生成量子态的质量至关重要，因此非相干光在量子信息处理中的应用非常有限。然而，激光线宽展宽带来的内在退相干效应，对长距离量子通信和传感中的应用构成了根本限制。此外，对于单片集成系统而言，高性能片上激光器的制备仍然是一个不小的挑战。近年来，人们开始探索利用更自然的光源（如非相干或部分相干光束）来生成量子资源，但在集成系统中，时间非相干性的作用仍未得到充分探索。

为了应对这一挑战，中国科学技术大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项创新性研究，他们利用放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）源作为泵浦，通过硅波导中的自发四波混频（Spontaneous Four-Wave Mixing, SFWM）过程生成光子对。ASE源具有高空间相干性和低时间相干性的特点。在SFWM过程中，宽松的相位匹配条件导致了宽带发射光谱，因此光谱多模的ASE源可以有效地促进光子对产生。其高斯空间模式也允许光在波导内以低损耗传播。

研究人员通过理论分析和数值模拟揭示了时间非相干性对量子态生成的积极影响。与相干激光泵浦相比，非相干泵浦提高了非线性过程中的泵浦利用效率。泵浦的时间非相干性产生了关联性更低的联合光谱振幅（Joint Spectral Amplitude, JSA），从而在相同的滤波条件下获得了更高的态纯度。

实验结果表明，与连续波（Continuous-Wave, CW）激光泵浦相比，使用200 GHz带宽的ASE泵浦时，光子对生成率提高了40%以上。在低泵浦功率下，非相干泵浦的光源在符合计数与偶然计数之比（Coincidence-to-Accidental Ratio, CAR）和预示二阶自相关函数g_H⁽²⁾(τ)方面表现出明显优势。对于制备的偏振纠缠态，非相干泵浦下获得了S=2.64±0.02的贝尔不等式破缺值和95.7%±0.1%的保真度。

此外，研究人员还通过萨格纳克干涉环（Sagnac interferometer loop）成功制备了偏振纠缠态|Φ⁺? = |HH? + |VV?。量子态层析显示，非相干泵浦制备的纠缠态保真度达到95.7%±0.1%，证明了泵浦的时间相干性并不影响偏振纠缠的制备质量。

关键技术方法

本研究主要采用了基于硅波导的自发四波混频（SFWM）技术生成光子对。泵浦源为可调谐连续波激光器（相干）和放大自发辐射（ASE）源（非相干）。实验系统包括用于功率控制的衰减器、带通滤波器、偏振控制器和硅波导（尺寸：220 nm高，450 nm宽，1 cm长）。残余泵浦光通过级联带阻滤波器滤除。生成的信号光和闲频光通过密集波分复用器（DWDM）分离，并使用自由运行InGaAs雪崩光电二极管或超导纳米线单光子探测器进行探测。偏振纠缠态的制备采用萨格纳克干涉仪结构，通过波片和偏振分束器调控光子对的偏振状态。

研究结果

相干与非相干泵浦的χ⁽³⁾过程

理论研究揭示了非相干泵浦在SFWM过程中的独特优势。非相干泵浦的光子对生成率表达式与单色泵浦情况一致，表明ASE光可视为多个独立单色光源的线性组合。联合光谱振幅分析表明，非相干泵浦产生更均匀的能谱分布，从而在有限滤波下获得更高纯度。

量子关联特性的测量

实验测量了光子对的符合计数率、单边计数率和CAR值。在低功率下，非相干泵浦光源的CAR值高达345，显著优于相干泵浦（约160）。非相干泵浦还表现出更优的预示二阶自相关函数g_H⁽²⁾(0)，表明其单光子特性更好。

偏振纠缠的表征

通过萨格纳克干涉仪制备的偏振纠缠态在H基和D基下的可见度分别达到97.2%±0.1%和97.1%±0.1%。CHSH不等式检验的S值为2.64±0.02，证实了生成态的纠缠特性。

结论与讨论

本研究颠覆了传统认知，证明时间非相干性在集成系统量子态生成中能发挥积极作用。非相干泵浦不仅提高了光源亮度，还改善了量子关联特性，并成功制备出高质量纠缠态。从工程角度看，非相干泵浦显著降低了系统复杂性和成本，为单片量子光子集成提供了更实用的解决方案。这项研究揭示了光学非相干性与量子特性之间的相互作用是参数非线性过程的普遍特征，适用于所有发生SFWM的物理系统，极大地扩展了泵浦源的选择范围，推动了可扩展量子光子技术的发展。

数据可用性

本研究中产生的数据已保存在figshare数据库中（https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30499499.v1）。