南京大學(xué)物理學(xué)院王慧田、汪喜林研究組在窄線寬糾纏源研究中取得重要進展。突破了腔增強糾纏源制備中的后選擇限制，實現(xiàn)了線寬為13.8 MHz無需后選擇的直出式軌道角動量（Orbital Angular Momentum，簡稱OAM）糾纏源。有望為基于長壽命量子存儲的遠距離量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)以及更多光與物質(zhì)相互作用的研究提供高品質(zhì)的窄線寬量子糾纏源。
將光子存儲到冷原子或固態(tài)系統(tǒng)等介質(zhì)中，即量子存儲，是實現(xiàn)遠距離量子通信、分布式量子計算、量子網(wǎng)絡(luò)等眾多量子信息任務(wù)的基本功能需求。實現(xiàn)長壽命的量子存儲對于量子信息的發(fā)展具有重要意義，其核心單元之一是與存儲介質(zhì)線寬（~10 MHz）相匹配的量子糾纏源。自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（Spontaneous Parametric Down-Conversion, 簡稱SPDC），即利用非線性晶體將一個高頻光子劈裂成兩個低頻光子，是制備量子糾纏源的一種重要方法。然而，基于SPDC直接產(chǎn)生的糾纏光子對線寬通常在THz量級，與所需的10 MHz相差5個量級。若在SPDC基礎(chǔ)上采用被動頻譜濾波方法制備窄線寬糾纏源，不僅效率極低、大幅損失光子亮度，而且會嚴重降低信噪比，導(dǎo)致獲得的糾纏源品質(zhì)有限。一個很好的解決途徑便是化被動為主動，將非線性晶體置于光學(xué)諧振腔內(nèi)，利用腔增強SPDC制備窄線寬糾纏源。
自1999年首次實現(xiàn)以來，腔增強SPDC得到了廣泛應(yīng)用，已成為制備關(guān)聯(lián)光子對的標準方法之一。然而，受限于諧振腔共振模式的限制，該方法無法直接實現(xiàn)光子對糾纏，只能通過后選擇概率性地將光子對轉(zhuǎn)換為糾纏源。例如，將一對水平豎直線偏振光子對通過分束器干涉后選擇在2個出射端有且僅有一個光子的事例，滿足條件的光子對概率為50%，在這些事例中，后選擇獲得的光子對處于偏振糾纏狀態(tài)。后選擇制備糾纏兩個不可避免的缺點：（1）降低了光子的亮度，通常會損失一半光子；（2）在后選擇過程中，不滿足條件的光子對成為無法剔除的寄生噪聲，導(dǎo)致滿足條件的糾纏光子對在后續(xù)的操作中無法進行二次干涉，極大限制了這種糾纏源的應(yīng)用。因此，如何實現(xiàn)無后選擇的直出式糾纏源成為腔增強SPDC領(lǐng)域的一個長期挑戰(zhàn)。
研究人員獨辟蹊徑，迎接挑戰(zhàn)，經(jīng)過近三年的刻苦攻關(guān)，研發(fā)了OAM簡并腔增強SPDC技術(shù)，突破后選擇限制，研制成功了直出式窄線寬糾纏源。以往腔增強SPDC無法直接輸出糾纏光子的原因在于腔共振模式數(shù)目的限制，經(jīng)過精確調(diào)控之后，可以實現(xiàn)偏振雙共振，此時輸出的光子對只有2個模式，經(jīng)過偏振分束器之后，僅僅能獲得空間分離的光子對，而非糾纏的。為直接輸出糾纏光子，必須增加腔共振模式，然而單個諧振腔實現(xiàn)2個共振模式已頗具挑戰(zhàn)，若要實現(xiàn)4個共振模式，其難度更大。研究人員另辟蹊徑，聚焦于諧振腔的空間模式，將以往單一基模高斯模式拓展為簡并的2個OAM模式。由于諧振腔內(nèi)空間模式和偏振模式相互獨立，因此可以同時保持2個偏振模式以及簡并的兩個OAM模式共振，這樣就得到了滿足制備直出糾纏源所需的4個模式。在實驗中，研究人員利用Pound-Drever-Hall（PDH）鎖腔技術(shù)，實現(xiàn)了拓撲荷為±1的OAM簡并腔增強SPDC，獲得了無后選擇的直出式軌道角動量糾纏源，線寬為13.8 MHz，亮度為1400 s?1，保真度為0.969。該無后選擇的直出式糾纏源可以進行二次干涉，可用于在更多自由度上構(gòu)建糾纏，進而制備偏振和OAM同時糾纏的窄線寬超糾纏源。
OAM簡并腔增強SPDC為高品質(zhì)窄線寬糾纏源的制備提供了一種具有實用價值的解決方案，進一步為長壽命量子存儲的研究注入新動力。該研究發(fā)展的OAM簡并腔技術(shù)也有望在光與物質(zhì)腔增強相互作用研究中開發(fā)新應(yīng)用。
以上成果以《Postselection-Free Cavity-Enhanced Narrow-Band Orbital Angular Momentum Entangled Photon Source》為題發(fā)表在Physical Review Letters上 [Phys. Rev. Lett. 134, 053801 (2025)]。南京大學(xué)物理學(xué)院博士生萬佩、朱文正和婁嚴超為論文共同第一作者，南京大學(xué)物理學(xué)院王慧田教授、汪喜林教授和張涵副教授為共同通訊作者。上述研究工作得到了固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室、南京微結(jié)構(gòu)協(xié)同創(chuàng)新中心和合肥實驗室的支持，得到了國家重點研發(fā)計劃、江蘇省自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金、江蘇省“雙創(chuàng)人才”和廣東省重點領(lǐng)域研發(fā)計劃項目等的資助。
OAM簡并腔增強SPDC制備無后選擇的直出式窄線寬糾纏源
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.053801
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