“我们那里有很棒的温泉，还有很好吃的米粉。”提及老家湖北应城，新加坡科研局（A*STAR）研究员朱迪表示。如今，他离开故乡已有多年。其本科和博士先后毕业于新加坡南洋理工大学和美国麻省理工学院，主要研究超导单光子探测器。毕业后获得首届哈佛量子计划奖学金，并在哈佛大学做博后研究。2021 年起，朱迪在新加坡科研局（A*STAR）担任研究员。今年夏天，他即将迎来又一个新生活——入职新加坡国立大学担任助理教授。
图 | 朱迪（来源：朱迪）
在履新之前，他在博后期间的论文终于正式发表。概括来说，该工作利用薄膜铌酸锂调制器实现了创纪录的片上单光子频率操控，对量子网络、量子计算等领域有实际意义。
这一突破也体现了薄膜铌酸锂平台在集成量子光学的重要前景，有望激发片上电光单光子调控和相关量子技术的研究。
图 | 通过薄膜铌酸锂集成电光调制器改变单光子颜色（来源：Loncar Lab/Harvard SEAS）
其主要有三大应用潜力：
第一，在量子网络里，不同节点往往具备不同的量子储存器或单光子源，它们的频率和带宽都不一样。而本次方法可以同步不同颜色和形态的光子，从而有效地链接这些网络节点。
第二，在量子计算中，该器件可以实现频域量子的计算。在频域计算里，量子信息会被直接编码到光子的频率上。通过相位调制，可以让光子在频域进行转化，从而完成高维度、可拓展的量子计算。
第三，通过集成一些其他的器件，这款调制器可被用于产生光梳和脉冲，能够在传感、精密测量、通讯等领域施展本领。
近日，相关论文以《使用集成薄膜铌酸锂调制器对非经典光脉冲进行光谱控制》（Spectral control of nonclassical light pulses using an integrated thin-film lithium niobate modulator）为题发在 Light:Science&Applications 上 [1]。
图 | 相关论文（来源：Light:Science&Applications）
朱迪是第一作者兼通讯作者，其博后导师——哈佛大学 JohnA.Paulson 工程与应用科学学院教授马尔科·隆卡（Marko Lončar）担任共同通讯作者。
“老树开新花”的铌酸锂
光是一种常见的量子信息载体，在量子通讯、量子网络、和量子计算里有着广泛应用。光有不同的的颜色、也就是频率，而这也是它作为信息载体的重要优势之一。
在信息传输里，可以使用不同颜色承载不同的频道，从而在一根光纤里同时传输多个频道。在量子计算里，还能把信息直接编码到光的频率里，让不同颜色代表不同的数字。
而在某些量子应用中，则需要颜色完全相同的光子，即只有一摸一样的两个光子才能相互作用。不同的量子光源往往会产生不同的单光子，想把它们拼凑成一个量子处理器或量子网络，就得同步它们的颜色和形态。
其中，操控单个光子的频率成为这些应用的关键。但是，所存在的困难是：不同于改变光的路径或者偏振，改变光的频率是个能量不守恒的过程，因为不同颜色的光子拥有不同的能量。
更重要的是在量子应用中，这个过程必须没有损耗，也不能引入噪音或丢失光子的量子特征。
最常见的单光子频率控制方法，一般依靠光学非线性，也就是用一束很强的激光在晶体中照射该光子。这个过程通常效率较低，而且激光会自己生成大量噪音光和散射光，同时这些噪音光和散射光很难被过滤掉。
另一种更“干净”的方法是利用电光调制。和非线性光学方法不同的是，电光调制利用微波信号来控制光子频率，这个过程效率较高，而且不会产生任何噪音光和散射光。
其原理基于时间和频率的紧密联系。光同时具有粒子性和波动性。作为波，它的相位会随着时间周期性地变化，如果给光子外加一个随着时间变化的相位，这就相当于加快或减慢了它的相位变化速度，进而改变光子的频率。
不过，这个方法离不开一个关键器件——电光相位调制器。可惜的是，现有的集成光学材料无法提供高性能的电光调制。
以最常用的硅和氮化硅为例，它们没有二阶非线性，无法实现高速低损电光调制。因此，在集成芯片上完成电光频率操控一直是个未完成的挑战，尤其是在单光子级别。
为解决这个问题，该团队使用了薄膜铌酸锂。铌酸锂其实是一种“老”材料，它是一种人造晶体，已被学界研究了半个多世纪，也已广泛用于和人类生活息息相关的领域，比如光通讯调制器和手机微波滤波器等。
近些年，薄膜形式的铌酸锂开始被用在集成光学里。该材料具备很高的非线性和电光系数，十分适合非线性和量子等应用。
尤其是薄膜铌酸锂电光调制器，它们拥有体积小、电压低、带宽高等优点, 不少国内外课题组都在开展相关的研究。
本次工作里，基于薄膜铌酸锂这一材料，该团队引入了“双通”设计，进一步优化了电光相位调制器的性能，借此实现对于单光子的片上频率操控。
“双通”是一个很“朴素”的想法：电光相位调制器的电极，通常由三条平行的金属线组成，这三条金属线会形成两个间隙。事实上，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其中一个通过，这样会浪费另一个间隙里的电场，导致调制效率变低。
而“双通”是让光从电极通过两次，以便分别从不同的间隙通过。这种设计可谓“说易行难”，它对微加工的要求极高。
朱迪表示：“这个双通设计最早由我们同组的博后喻梦捷（本文共同一作，现就职于美国南加州大学）最先提出。她用这个设计实现了片上飞秒激光，相关论文最近发表在 Nature 上。”
而在该研究中，朱迪和同事将这种设计用在量子应用上，实现了超高效率的单光子频率调控。
控制光子的颜色和“胖瘦“
实验中，研究人员首先生成了通讯波段、脉冲形式的孪生光子对，然后取其中一个光子进行操控。通过施加线性变化的相位调制，他们完成了太赫兹级别的单光子频率迁移。
（来源：Light:Science&Applications）
他表示：“据我们所知，这是迄今为止基于电调控的最大的频率迁移。为了验证这种方法可以保证光子的量子性质，我们将两个原本颜色不同并无法干涉的光子进行了频率迁移，让它们成为颜色一致的光子，从而观测到了高可见度量子干涉。”
此外，他和同事将同一个调制器作为“时间透镜”，类似于让光在时间上弯曲的放大镜，把一个频域较“胖”的光子压缩成“瘦”光子，借此将带宽不同的光子进行同步，从而在量子网络里起到关键作用。
（来源：Light:Science&Applications）
如前所述，本次成果主要在朱迪的博后阶段完成。他说：“我当时所在的Marko Lončar 研究组在薄膜铌酸锂领域已经很有名气，之前积累了不少工作，大多围绕经典领域比如调制器、光梳和非线性光学等。但在直觉上，我们都认为对于量子领域来说，薄膜铌酸锂也是一个完美的材料选择，于是就想找到一个突破口去展示它在量子领域的用途。”
在量子光学里，片上集成是一个发展大趋势。已经有些知名公司比如Xanadu 和 PsiQuantum，正在使用传统硅基的集成光学平台。那么，如果使用铌酸锂它的最大优势在哪里？
“我们觉得应该是利用电光效应完成时域或者频域的量子信息处理。正好当时美国橡树国家实验室的的 Joseph Lukens 等人提出一套频域量子计算的模型，这让我们对单光子频率操控产生了很大兴趣。”朱迪说。
一般来说，对一个光子施加微波调制，光的频率有可能增大也有可能降低，这是一个对称、双向的频率改变。但在实际应用里，必须让光子从一个频率变为另一个，也就是一个确定的、单方向的改变。
基于此，朱迪和同事决定以此为课题。研究中，他们发现在传统超快光学中，有很多利用电光调制器实现光谱操控的方法，遂采用脉冲的量子光源、结合超高性能的薄膜铌酸锂，做出了一个破纪录的单光子频率迁移实验。
为完成这一实验，该课题组和 Hyperlight 公司、以及麻省理工学院团队展开合作。Hyperlight 负责微加工并制备器件，麻省理工团队提供量子光源和测量设备。
朱迪坦言：“研究中有一个量子干涉实验真的很难做，是和我的老搭档陈昌辰（本文共同一作）一起做的。我们一连好几周每天测到凌晨三四点，许多次回家时天都亮了。其实我们很早就测到了初期现象，但是一直想把结果测得更好，所以就不停地测，最后多花了至少 10 倍的时间，而这只是为提高几个百分点。当时正值新冠，而且我二女儿刚出生，有时候一天内要往返实验室好多趟。”
其实，在博士阶段的一个课题里，朱迪也要测类似的量子干涉，当时也是和陈昌辰一起，连续不间断地测了 20 多个小时。那时有一个环节无法自动化，他们俩只好手动操作。“经过这两次之后，我们都觉得这辈子都不想再做量子干涉测试了。”朱迪说。
下一步，该团队希望基于薄膜铌酸锂平台实现光学量子计算芯片。光学量子计算是当下最具前景的量子计算平台之一，其核心硬件包括量子光源、线路、和光子探测器。薄膜铌酸锂有很高的二阶非线性，而且支持周期极化，可以高效率地产生光子对，从而可被作为单光子源。它的电光效应能够实现低损耗、可编程的光路。
基于此，朱迪和合作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。通过集成这些核心硬件，他们希望构建一个完整的光学量子芯片。
除了优化单个器件性能，课题组也计划实现晶圆级的制造，提高薄膜铌酸锂芯片的复杂度、可重复性、以及量产化能力。
参考资料：
1.Zhu,D.,Chen,C.,Yu,M.etal.Spectralcontrolofnonclassicallightpulsesusinganintegratedthin filmlithiumniobatemodulator.LightSciAppl11,327(2022).https://doi.org/10.1038/s41377-022-01029-7
