“大家何处有很棒的温泉，另有很好吃的米粉。”提及老家湖北应城，新加坡科研局（A*STAR）搜求员朱迪浮现。当前，他们分隔家园已有多年。其本科和博士先后结业于新加坡南洋理工大学和美国麻省理工学院，告急索求超导单光子探测器。毕业后获得首届哈佛量子安插奖学金，并在哈佛大学做博后索求。2021 年起，朱迪在新加坡科研局（A*STAR）肩负寻觅员。今年炎天，全班人即将迎来又一个腾达活——入职新加坡国立大学责任襄理叙授。

　　在到差之前，他们在博后时刻的论文结果正式公告。具体来谈，该责任欺骗薄膜铌酸锂调制器完成了创记录的片上单光子频率操控，对量子聚集、量子辩论等范围有本质旨趣。

　　这一冲破也展现了薄膜铌酸锂平台在集成量子光学的苛重前景，有望激发片上电光单光子调控和相干量子技艺的寻觅。

　　图 进程薄膜铌酸锂集成电光调制器更换单光子颜色（来源：Loncar Lab/Harvard SEAS）

　　第一，在量子汇集里，例外节点往往具备例外的量子累积器或单光子源，它们的频率和带宽都不雷同。而本次技术能够同步各异表情和样子的光子，从而有效地链接这些汇聚节点。

　　第二，在量子较量中，该器件可能告终频域量子的计较。在频域争论里，量子音讯会被直接编码到光子的频率上。经历相位调制，能够让光子在频域进行改变，从而达成高维度、可拓展的量子争论。

　　第三，颠末集成少少其他们的器件，这款调制器可被用于爆发光梳和脉冲，可以在传感、稹密测量、通讯等领域阐明手段。

　　不日，干系论文以《使用集成薄膜铌酸锂调制器对非经典光脉冲举办光谱驾御》（）为题发在 Light:Science&Applications 上 [1]。

　　朱迪是第一作者兼通讯作者，其博后导师——哈佛大学 JohnA.Paulson 工程与运用科学学院教授马尔科·隆卡（）肩负共同通讯作者。

　　光是一种常见的量子音信载体，在量子通讯、量子密集、和量子争辩里有着平淡愚弄。光有例外的的表情、也就是频率，而这也是它看成音尘载体的沉要优势之一。

　　在讯休传输里，能够愚弄不同神色承载破例的频路，从而在一根光纤里同时传输多个频道。在量子争论里，还能把新闻直接编码到光的频率里，让破例脸色代表各异的数字。

　　而在某些量子利用中，则需要颜色完备一律的光子，即惟有一摸相似的两个光子技巧彼此影响。破例的量子光源屡屡会发生例外的单光子，思把它们聚闭成一个量子刑罚器或量子汇聚，就得同步它们的表情和形态。

　　此中，操控单个光子的频率成为这些诈骗的要道。不过，所留存的艰巨是：例外于改动光的门道可能偏振，变动光的频率是个能量不守恒的进程，路理破例颜色的光子占有各异的能量。

　　更急急的是在量子运用中，这个进程务必没有虚耗，也不能引入噪音或损失光子的量子特征。

　　最常见的单光子频率独揽手法，但凡依靠光学非线性，也就是用一束很强的激光在晶体中晖映该光子。这个过程但凡服从较低，而且激光会自身先天大批噪音光和散射光，同时这些噪音光和散射光很难被过滤掉。

　　另一种更“清白”的手法是运用电光调制。和非线性光学权谋不同的是，电光调制愚弄微波旗帜来支配光子频率，这个经过效用较高，况且不会发生任何噪音光和散射光。

　　其意义基于时间和频率的精细相合。光同时具有粒子性和振撼性。看成波，它的相位会随着功夫周期性地变更，假若给光子外加一个随着时期转变的相位，这就特别于加速或减慢了它的相位变化速度，进而改变光子的频率。

　　然而，这个权谋离不开一个关键器件——电光相位调制器。痛惜的是，现有的集成光学材料无法供给高本能的电光调制。

　　以最常用的硅和氮化硅为例，它们没有二阶非线性，无法竣工高快低损电光调制。以是，在集成芯片上达成电光频率操控无间是个未告终的寻事，尤其是在单光子级别。

　　为办理这个标题，该团队诈欺了薄膜铌酸锂。铌酸锂原本是一种“老”质料，它是一种人造晶体，已被学界查究了半个多世纪，也已通俗用于和人类生活歇息联系的范围，例如光通讯调制器和手机微波滤波器等。

　　近些年，薄膜技俩的铌酸锂起始被用在集成光学里。该材料十全很高的非线性和电光系数，额外顺应非线性和量子等应用。

　　加倍是薄膜铌酸锂电光调制器，它们占领体积小、电压低、带宽高级益处, 不少国内外课题组都在开展闭系的寻求。

　　本次任务里，基于薄膜铌酸锂这一材料，该团队引入了“双通”规划，进一步优化了电光相位调制器的本能，借此实现看待单光子的片上频率操控。

　　“双通”是一个很“节流”的步骤：电光相位调制器的电极，平常由三条平行的金属线组成，这三条金属线会出现两个间隙。结果上，这两个间隙里都有电场，但一般的相位调制器件只会让光从个中一个过程，如此会踹踏另一个间隙里的电场，导致调制效用变低。

　　而“双通”是让光从电极源委两次，以便诀别从不同的间隙原委。这种安放可谓“讲易行难”，它对微加工的哀求极高。

　　朱迪展现：“这个双通准备最早由他们同组的博后喻梦捷（本文共同一作，现赴任于美国南加州大学）首先提出。她用这个设计告终了片上飞秒激光，干系论文比来公告在 Nature 上。”

　　而在该物色中，朱迪和同事将这种规划用在量子使用上，完毕了超高着力的单光子频率调控。

　　执行中，探寻人员首教练成了通讯波段、脉冲把戏的孪生光子对，然后取此中一个光子举办操控。历程施加线性变动的相位调制，大家告终了太赫兹级其余单光子频率转移。

　　他们显示：“据全部人们所知，这是迄今为止基于电调控的最大的频率迁徙。为了验证这种法子可以保险光子的量子本质，全部人将两个实在神色例外并无法干预的光子实行了频率转移，让它们成为神情一概的光子，从而巡查到了高可见怀抱子干涉。”

　　此外，大家和同事将同一个调制器当作“期间透镜”，相仿于让光在岁月上屈曲的延长镜，把一个频域较“胖”的光子萎缩成“瘦”光子，借此将带宽破例的光子进行同步，从而在量子汇集里起到合键感化。

　　如前所述，本次成效急急在朱迪的博后阶段达成。他道：“我那时地址的 找寻组在薄膜铌酸锂范畴仍旧很驰名气，之前堆集了不少责任，大多围绕经典界限比喻调制器、光梳和非线性光学等。但在直觉上，所有人都感触关于量子规模来说，薄膜铌酸锂也是一个完满的原料抉择，以是就想找到一个冲突口去出现它在量子规模的用途。”

　　在量子光学里，片上集成是一个富贵大趋势。还是有些闻名公司譬喻 和 ，正在运用古代硅基的集成光学平台。那么，如果愚弄铌酸锂它的最大优势在何处？

　　“全部人觉得应当是使用电光效应达成时域恐怕频域的量子音信科罚。适值其时美国橡树国家实施室的的 等人提出一套频域量子辩论的模型，这让所有人们对单光子频率操控发作了很大乐趣。”朱迪说。

　　日常来叙，对一个光子施加微波调制，光的频率有可以增大也有能够低落，这是一个对称、双向的频率变换。但在本质欺骗里，必需让光子从一个频率变为另一个，也即是一个决断的、单宗旨的改变。

　　基于此，朱迪和同事决计以此为课题。研究中，全部人们们发如今古代超快光学中，有许多利用电光调制器完成光谱操控的法子，遂接受脉冲的量子光源、连合超高职能的薄膜铌酸锂，做出了一个破记载的单光子频率迁徙推行。

　　为完毕这一履行，该课题组和 公司、以及麻省理工学院团队打开配合。 负责微加工并制备器件，麻省理工团队提供量子光源和勘察修立。

　　朱迪坦言：“探索中有一个量子过问实验真的很难做，是和我们的老错误陈昌辰（本文共同一作）一路做的。大家一直好几周每天测到黎明三四点，很多次回家时天都亮了。原本全班人很早就测到了初期境地，不过一直想把终于测得更好，所以就一直地测，末了多花了至少 10 倍的光阴，而这然而为先进几个百分点。那时刚好新冠，况且我二女儿刚出世，有时候整日内要往返实行室好多趟。”

　　实在，在博士阶段的一个课题里，朱迪也要测类似的量子干扰，其时也是和陈昌辰一块，接连不隔绝地测了 20 多个小时。那时有一个合节无法自动化，所有人俩只能手动控制。“过程这两次之后，大家都感应这辈子都不想再做量子干涉实验了。”朱迪说。

　　下一步，该团队守候基于薄膜铌酸锂平台杀青光学量子辩论芯片。光学量子计较是当下最具前景的量子辩论平台之一，其核心硬件征求量子光源、线道、和光子探测器。薄膜铌酸锂有很高的二阶非线性，并且援助周期极化，能够高效力地发作光子对，从而可被算作单光子源。它的电光效应能够实现低消耗、可编程的光途。

　　基于此，朱迪和联关者将在铌酸锂平台上集成超导纳米线，借此来做单光的探测。经由集成这些主题硬件，我们期待构建一个周备的光学量子芯片。

　　除了优化单个器件机能，课题组也铺排实现晶圆级的成立，发展薄膜铌酸锂芯片的复杂度、可反复性、以及量产化伎俩。

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