山西大学光电研究所苏晓龙教授研究组实现音频频段片上双模压缩光

近日，山西大学光电研究所、光量子技术与器件全国重点实验室苏晓龙教授课题组联合南京大学姜校顺教授研究团队，在Science Bulletin上发表了题为“On-chip squeezed light in the audio frequency band”的研究成果。研究团队在二氧化硅微腔中实现了分析频率低至60Hz的片上双模压缩光，并采用部分转置正定判据验证了光学模式之间的量子纠缠。该工作使芯片级量子纠缠光源首次进入音频频段，为面向低频信号的片上量子传感和连续变量量子信息处理提供了可行途径。

研究团队使用直径约732μm的高品质因子二氧化硅微环形谐振腔，在单色泵浦、低于振荡阈值的条件下，通过Kerr四波混频过程产生频率成对的双模压缩真空态。为克服低频测量中的慢漂移和技术噪声，团队提出相干梳控制（coherent-comb control，CCC）方法，用一束弱电光参考梳为量子测量提供长期稳定、低噪声的相位基准。弱电光参考梳由同一泵浦光派生，与泵浦和量子场沿相同光路传播，同时采用正交偏振和频率偏置；微腔及其耦合条件则被设计为避免参考梳共振。光场离开微腔后，参考梳与量子模式被分离并独立探测，反馈控制只读取参考通道的相位信息，相关器件与实验系统如图1所示。研究团队以10kSa/s的采样率连续记录100s，共获得约100万个样本。时域数据表明，系统在整个采集窗口内能够稳定切换并完成压缩、反压缩和散粒噪声基准对应的正交分量测量。噪声频谱分析显示，从60Hz到5kHz，双模压缩态的量子关联噪声相对于散粒噪声基准降低约1.0dB。团队进一步由多组单模和模间正交分量测量重构协方差矩阵，部分转置正定判据给出的最小辛本征值为0.395±0.001，低于可分离态阈值0.5，验证了双模纠缠，实验结果如图2所示。相较近期片上压缩光光源，该工作将最低分析频率降低了约4个数量级。

该工作为面向低频信号的片上量子传感、连续变量量子信息处理以及多节点、阵列化和分布式量子测量提供了可行途径。研究团队指出，当前约1dB的压缩度和60 Hz的最低分析频率仍是阶段性结果。后续，团队将进一步提高压缩度并开展量子传感芯片研究。

山西大学光电研究所朱学志为论文第一作者，苏晓龙教授为通讯作者，主要合作者还包括山西大学和南京大学的其他研究人员。该研究得到了“量子通信与量子计算机”国家科技重大专项、国家自然科学基金和山西省“1331工程”重点学科建设经费的支持。（通讯员：张颖）