导读

近日，韩国浦项科技大学物理学院的Heedeuk Shin等人通过使用一个频率分束器，利用布拉格散射四波混频，以50%的概率将单光子频率转换为另一种频率，展示了频域中的光子数路径纠缠。单模光纤中的双光子NOON态是在频域中产生的，与单光子干涉相比，双光子干涉的分辨率提升了2倍，显示了干涉仪出色的稳定性。量子态在频域的成功转换将为发现新的量子现象和可扩展的量子信息处理铺平道路。该文章被发表在《Light: Science & Applications》期刊上，题为“NOON-state interference in the frequency domain”。

背景介绍

光子纠缠在解决量子力学的基本问题和利用量子信息技术的方面发挥着至关重要的作用。人们对各种自由度的纠缠进行了广泛的研究，包括偏振、路径、轨道角动量等。这些研究在分析各种量子现象、提高量子通信性能、保护量子态免受环境噪声以及超越计量学中的经典限制等方面发挥了关键作用。

NOON通常被称为光子数路径纠缠态。这种状态代表了路径1中的N个与路径2中的0个光子之间的叠加，反之亦然。NOON态的一个显著特点是它的相位灵敏度提高了N倍，使得它能够超越经典光测量的限制。这一特性使得NOON态成为量子应用的基础资源，包括量子光刻、量子成像和量子计量。

近期，由于频域量子态具有高维状态可扩展性、空间单模传播、稳定性、微型化以及与光纤网络兼容等潜力，人们对频域量子态的关注进一步加强。这些潜在优势促使人们对频域内光子产生和操纵的各种技术进行广泛研究，此外，频域经典光控技术还有助于展示复杂的物理现象。

浦项科技大学物理学院的Heedeuk Shin等人首次展示了频域中的NOON态干涉。量子频率转换过程像一个50:50的分光器，有大约50%的概率将单光子频率转换为另一个频率，并利用非简并光子对在频域产生N=2的NOON态。随后，通过反射将该态重新引入分光镜，并通过可变延迟线控制NOON态的相对相位。研究人员在频域中观察到了与相对相位相反的双光子聚束和反聚束效应，与单光子干涉相比，NOON态的振荡频率提高了两倍。此外，由于双色成分的单模传播，即使不采用任何稳定方案，该方法也能确保干涉仪极其稳定。

创新研究

图1为该实验的装置图。图1a展示了空间域的传统NOON态干涉。其中，两个无差别的单光子同时被引入分光镜的两个输入模式，产生Hong-Ou-Mandel(HOM)效应，形成NOON态。通过滑动镜子控制两条路径之间的相对相位，NOON态可以通过分光镜结合，由此产生的态在路径模式中表现出双光子聚束和反聚束效应。与单光子干涉相比，NOON态的聚束周期增强了两倍。在该研究中，人们利用与传统方法类似的光学元件，在频域中生成NOON态。使用基于量子频率平移的频率分束器，可以在两个经典泵浦场的驱动下同时湮灭输入光子和产生目标光子，如图1b所示。图1c是通过两个泵浦场、一个输入光子和一个目标光子进行布拉格散射四波混频处理的频率分束器示意图。图1d是提出的频域NOON态干扰方案。

图1 实验示意图

在频域中观测NOON态干涉的实验装置图如图2所示。非简并光子对在一根单模光纤中通过自发四波混频产生。使用组合滤波器将信号光子和惰轮光子组合后，再引入分光镜。它们之间的相对延迟由延迟线控制。

图2 NOON态干涉的实验装置图

图3展示了HOM干涉的净可见度与输入布拉格散射四波混频泵浦功率的关系。将布拉格散射四波混频的效应建模为输入-输出关系，蓝色实线和红色虚线为使用格林函数法进行的数值模拟结果。可以看到，实验结果与模拟结果十分吻合。实验观察到的双光子频率聚束和反聚束效应，振荡周期比单光子干涉增强了两倍，并具有良好的稳定性。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

图3 使用分光镜的HOM干涉。蓝色方框和红色菱形分别代表HOM效应的前向和后向的净可见度。蓝色实线和红色虚线为模拟结果。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01439-9