2016年3月11日，《Science》杂志刊登了我所与加拿大魁北克国立科学研究所、英国萨塞克斯大学、香港城市大学等单位合作发表的题为“Generation of multiphoton entangled quantum states by means of integrated frequency combs”的研究论文。同日，《Science》刊登了题为“The time is right for multiphoton entangled states – A chip-based microresonator enables time-bin entanglement”的评论文章，对该片上多光子纠缠量子频梳给予高度评价。该工作是西安光机所继片上并行预报（Heraled）单光子源（Optics Express, 22, 6536, 2014）和片上交叉偏振纠缠光子对（Nature Communications, 6, 8236, 2015）之后在光子集成片上量子光学研究上的又一重要进展。
多光子纠缠态是量子通信、量子计算和超越经典极限的超高分辨率传感及成像技术的基石，同时在探索量子物理基本问题方面有着极为重要的应用。特别是大规模集成的片上纠缠光子源已成为量子应用技术发展的迫切需求。利用微环谐振腔中的自发四波混频效应，以时域分离、相位可调的光脉冲对为泵浦源，得到跨越S-C-L三个通信波段的频率间隔为200GHz的纠缠光子对——该纠缠光子源是迄今为止带宽最宽的量子频梳，其量子干涉条纹可见度达到93.2%。通过在两个不同的谐振波长上同时提取两对光子，得到四光子纠缠态，其量子干涉条纹可见度达到89%。该研究开创了片上产生和控制复杂量子态的时代，并提供了一个可规模化集成的光量子信息处理平台。
论文下载链接： http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1176
评论文章下载链接： http://science.sciencemag.org/content/351/6278/1152
图1 实验装置图
图2 四光子纠缠态
除此之外，西安光机所瞬态室近期在光子集成片上光频梳领域也取得系列重要进展。光学频率梳（简称光频梳）是具有确定光频梳齿间隔及频率的光频标尺，其发明是激光技术领域及计量科学领域在21世纪具有里程碑式重要意义的工作。受益于宽带精细光谱产生，光频梳在超高精度光钟、物理常数精密测量、类地星体/系外生命探测、电子运动的阿秒动力学测量，超精细光谱测量、光通信多波长光源等方面具有重要应用。迄今为止，绝大多数光频梳的产生均基于固体以及光纤锁模激光器，受限于器件尺寸及腔长，其重复频率一般小于10GHz。近年来，一种新的基于微谐振腔的Kerr光频梳被提出并取得重要进展。由于其小型化以及高重复频率的特点，有希望在未来天文观测、集成微波光子源、RF任意波前产生、光通信、小型化光钟等领域产生重要应用。过去10年中，国际上关于Kerr微腔光频梳的研究取得了一系列重大突破，受限于工艺技术等条件，我国在此方向还未有重大进展。
课题组经过3年多理论与工艺攻关，近期在国际上首次在Si3N4微环内实现了可见光光频梳，即在单个集成微环器件内，利用四波混频和三阶和频效应，同时产生了红外与绿光频梳。同时激发的红外光频梳宽达2/3倍频程(1300-2100nm)；绿光频梳带宽和功率均为目前世界记录（502-580nm, 80THz,0.1mW), 转换效率为-35dB。解决了由于微环内强Rayleigh散射和强材料色散所导致的无法在可见光波段产生光频梳的难题。同时，基于高Q值（>2*106）上下话路微环谐振腔（Add-Drop Filter），国内率先实现基于光参量振荡（OPO）微环光频梳，泵浦功率50mW、频率间隔50GHz、带宽大于200nm，同时实现了高质量微波信号的产生。搭建了双泵浦自锁定锁模激光腔系统，国际上首次利用外腔调控技术实现了频率间隔调谐，产生了300GHz、400GHz、1THz以及2.3THz超高重复频率稳定光频梳。
图3 基于OPO的宽带Kerr光频梳
图4 绿光与红外光频梳同时产生
