Press Release 媒体报道&中文解说
2025
《基于CPPLN晶体的4780nm超带宽纠缠双光子源》
超宽带频率纠缠双光子具有极窄的时域宽度，能够实现极窄的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉图样，因而在量子测量领域具有重要意义。然而，以往用于HOM干涉的双光子带宽通常限制在400nm以下，这难以满足量子测量中超高精度的需求。为了将测量精度推向极限，我们从理论上设计了一种20毫米长的II型相位匹配的啁啾周期极化铌酸锂（CPPLN）晶体。通过405nm激光泵浦，下转换产生的信号光子和闲置光子的波长范围可覆盖420nm到5200nm，接近铌酸锂（LN）晶体的透明上限。在模拟的HOM干涉实验中，干涉图样的全宽半高为965阿秒，干涉可见度达到99.44%。此外，我们还采用类似方法设计了一种0型CPPLN晶体，以进一步提高亮度。这些超宽双光子源能够生成超窄量子干涉图样，从而为实现阿秒级高精度量子测量奠定基础。Wen-Xin Zhu, Rui-Bo Jin* “4780 nm ultra-broadband entangled biphotons from a chirped PPLN”, Applied Physics Letters 126, 014001 (2025)
《分数阶涡旋光衍射过程的机器学习识别》
分数阶涡旋光束具有分数轨道角动量 (fractional orbital angular momentum, FOAM) 模式, 理论上可以无限增加传输容量，因此在光通信领域具有巨大的应用前景。然而，分数阶涡旋光束在自由空间传播时，螺旋相位的不连续性使其在实际应用中容易受到衍射的影响, 进而影响 FOAM 阶次识别的准确度，严重制约基于FOAM的实际应用。如何实现有衍射条件下的分数阶涡旋光的机器学习识别，目前仍是一个亟需解决且少见诸报道的问题。本文提出一种基于残差网络 (residual network, ResNet) 的深度学习 (deep learning, DL)方法, 用于精确识别分数阶涡旋光衍射过程的传播距离和拓扑荷值。实验结果表明，该方法可以在湍流条件下识别传播距离为100 cm, 间隔为5 cm，模式间隔为 0.1 的 FOAM 模式，准确率为 99.69%。该技术有助于推动FOAM模式在测距、光通信、微粒子操作等领域的实际应用。Yan Guo, Heng Lyu, Chunling Ding, Chenzhi Yuan, Ruibo Jin*, “Machine learning identification of fractional-order vortex beam diffraction process”. Acta Physica Sinica, 74(1), 014203(2025)
2024
《量子干涉仪：原理与应用》
干涉是由波的叠加产生的现象,在物理学的发展中发挥了关键作用,并在物理和工程测量中广泛应用。干涉仪是一种专门设计用于观察和操纵干涉的实验装置。随着技术的发展,许多量子干涉仪被发现,并成为量子物理领域的基础工具。量子干涉仪不仅探索了量子世界的本质,还在量子信息技术中有广泛应用。 在本综述中,我们分析和总结了三种典型的量子干涉仪:Hong–Ou–Mandel (HOM)干涉仪、N00N状态干涉仪和Franson干涉仪。我们重点阐述了这三种干涉仪的原理和应用。在原理部分,我们给出了这些干涉仪的理论模型,包括单模理论和多模理论。在应用部分,我们回顾了这些干涉仪在量子通信、量子计算和量子测量中的应用。我们希望这篇综述能够促进量子干涉在基础科学和实际工程应用中的发展。Rui-Bo Jin, Zi-Qi Zeng, Chenglong You, Chenzhi Yuan “Quantum interferometers: principles and applications” Progress in Quantum Electronics 96, 100519(2024)
《频率可分辨的Franson干涉》
Franson干涉可用于测量能量-时间纠缠态的非局域特性，已成为量子物理的标准实验。然而，以前的Franson干涉实验大都是在时域中进行的, 其频谱特性尚未得到充分探索。在本研究中，我们采用不同关联的双光子(包括正关联、反关联和无关联)，在理论和实验上展示了频率分辨的Franson干涉。研究发现，双光子的联合光谱强度可沿信号光和闲频光的分布方向进行调制，未来可用于制备频率高维纠缠态（qudits）和时频格子态（time-frequency grid states）。本工作为理解Franson干涉仪的频率-时间特性提供新的视角。Rui-Bo Jin, Zi-Qi Zeng, Dan Xu, Chen-Zhi Yuan, Bai-Hong Li, You Wang, Ryosuke Shimizu, Masahiro Takeoka, Mikio Fujiwara, Masahide Sasaki, Pei-Xiang Lu “Spectrally resolved Franson interference” SCIENCE CHINA Physics, Mechanics & Astronomy 67(5), 250312(2024)
《单个非线性晶体中相位匹配条件之间的可控转变》
纠缠光子对是实现量子信息处理协议的基础资源，利用块状非线性晶体中的自发参量下转换（SPDC）过程可以产生纠缠光子对。通常情况下，一块非线性晶体只能满足特定类型的相位匹配条件。本论文报告了在单个周期极化磷酸钛氧钾（PPKTP）晶体中，可以实现不同类型相位匹配条件之间的可控转换。通过选择不同的泵浦条件，我们能够在一块PPKTP晶体中观察到一阶II型、五阶I型、三阶0型和五阶II型的SPDC过程。除此之外，我们还详细分析了该SPDC源的温度依赖光谱。最后，我们讨论了在该晶体中观察到9个以上SPDC过程的可能性。该工作不仅可提高人们对相位匹配条件背后蕴含物理规律的理解，而且可为量子信息研究提供高度通用的量子光源。 Ziqi Zeng, Shixin You, Zixiang Yang, Chenzhi Yuan, Chenglong You, Ruibo Jin “Controllable transitions among phase-matching conditions in a single nonlinear crystal.” Chinese Optics Letters, 22(2), 021901(2024). https://opg.optica.org/col/abstract.cfm?uri=col-22-2-021901
《用广义量子干涉仪实现双光子的完整表征》
时间频率自由度的纠缠光子对（双光子）在基础物理和先进量子技术中扮演了重要角色。如何完整的表征他们是一个重要的科学挑战。我们通过在组合干涉仪的一个臂中引入频移形成一种广义的组合干涉仪，理论上提出用它来实现双光子完整层析的方法。该方法能够在单个干涉仪中重建与频率和、频率差相关的完整复数联合光谱振幅信息（包括振幅和相位）。相比之下，广义的HOM和N00N态干涉仪仅允许双光子的部分层析，要么只获得频率和，要么只获得频率差的信息。该工作为全面表征具有交换对称性的任意双光子态提供了一种替代方法，在高维量子信息处理中有潜在应用价值。Baihong Li, Changhua Chen, Boxin Yuan, Xiaofei Zhang, Ruifang Dong, Shougang Zhang, and Rui-Bo Jin, “Full characterization of biphotons with a generalized quantum interferometer.” Physics Review A 109, 043703 (2024).
《3.2 μm 波段基于铌酸锂晶体的类束状量子光源（特邀）》
铌酸锂晶体在3. 2 μm波段满足群速度匹配条件，可以在自发参量下转换（SPDC）过程中产生频域无关联光子对。 但是，此时光子对在空间域通常为环状分布，降低了光子对的收集效率，从而降低光源亮度。如何让双光子在满足频域无关联的同时，处于空间单模状态，成为了一个亟需解决的问题。通过理论计算和数值模拟，对双光子的空间分布进行优化设计，发现周期极化铌酸锂和定制极化铌酸锂在特定波长和温度条件下，在SPDC 中产生的双光子可在空间呈现类束状分布，施密特数可达1. 170和1. 150。本方案可为中红外波段的量子光学实验提供频域无关联和空间单模的量子光源。尤世欣，袁晨智，金锐博“3.2μm波段基于铌酸锂晶体的类束状量子光源（特邀）”激光与光电子进展，61(11), 1116012 (2024）
《Bell不等式的直观解释与研究进展》
2022年诺贝尔物理学奖授予了A. Aspect、J. Clauser和A. Zeilinger三位科学家，以表彰他们在利用纠缠光子实验验证Bell不等式违背以及开创量子信息科学方面的贡献。本文以EPR佯谬作为起点，概述了其催生 Bell不等式的历史进程，进一步着重阐述了Bell不等式及其与实验紧密结合的变种—CHSH不等式的数学形式和物理意义，然后使用文氏图直观地展示了两种Bell不等式的几何化推导过程，最后简要地介绍了Bell不等式的研究进展。本文有望帮助读者对Bell不等式这一重要概念获得直观理解。尤世欣，袁晨智，金锐博 “Bell 不等式的直观解释与研究进展综述”量子光学学报，30(2), 020001(2024)
2023
《多模Hong-Ou-Mandel 干涉与多缝干涉的对比研究》
多模Hong-Ou-Mandel干涉(MM-HOMI)在量子测量领域具有广阔的应用前景。然而，随着模式数的增加， MM-HOMI的条纹变得越来越复杂，难以直观地理解。为了解决这一问题，我们展开了MM-HOMI的理论研究，通过与多缝干涉（MSI）进行比较，对MM-HOMI进行了直观解释。我们发现MM-HOMI和MSI之间具有一一对应的映射关系。二者都是由两个因素决定：包络因子和细节因子。 包络因子是由单模 HOM 干涉或单缝衍射给出的。 而细节因子由 sin (Nx)/sin (x) 给出，其中 N 是模式数，x 是两个相邻光谱模式的相位间距。 此外，我们发现MM-HOMI 中最大 Fisher 信息的平方根随着模式数的增加而线性增加，这表明 MM-HOMI 是提高时间估计精度的有力工具。Yan Guo, Zi-Xiang Yang, Zi-Qi Zeng, Chunling Ding, Ryosuke Shimizu, and Rui-Bo Jin, “Comparison of multi-mode Hong-Ou-Mandel interference and multi-slit interference” Optics Express 31(20), 32849-32864 (2023)
《基于空域-频域映射制备高维频率纠缠态》
高维频率纠缠态(Etangled Qudits)在量子信息的研究中起着重要作用，可以提高通信的信道容量和抗噪能力，因而成为量子信息处理的基础资源。如何以高效、易操作的方式制备高维频率纠缠态仍是量子技术中的一个挑战。本工作提出了一种在自发参量下转换(SPDC)过程中制备高维频率纠缠态的方法。由于BBO晶体SPDC的相位匹配条件与角度有关，可以在空间自由度(泵浦光入射角)和频率自由度(双光子联合频谱分布)之间形成一一对应关系，即空域-频域映射。利用这种映射，我们可以把泵浦光在空间中分成若干个单元，从而在双光子联合频谱分布中获得离散的频谱模式，即高维频率纠缠态。我们的方法为制备高维频率纠缠态提供了一种可行且有效的方法。作为实验演示，我们使用自制的可变狭缝掩膜生成了一个三维量子频率纠缠态。Zi-Xiang Yang, Zi-Qi Zeng, Ying Tian, Shun Wang, Ryosuke Shimizu, Hao-Yu Wu, Shilong Liu, and Rui-Bo Jin “Spatial–spectral mapping to prepare frequency entangled qudits” Optics Letters 48(9), 2361-2364 (2023)
《基于 22种非线性光学晶体制备中红外波段频域纯态单光子》
我们从理论上研究了从 14 种双折射晶体（CMTC、THI、LiIO3、AAS、HGS、CGA、TAS、AGS、AGSe、GaSe、LIS、LISe、LGS 和 LGSe）和 8 种周期极化晶体（LT、LN、KTP、KN、BaTiO3、MgBaF4、PMN-0.38PT 和 OP-ZnSe）种制备纯态单光子源的方法。 波长范围覆盖 1224nm 到 11650nm 。 我们计算了每种晶体的三种群速度匹配（GVM）条件、相位匹配条件、光谱纯度和HOM干涉。 这项研究有望为中红外波长范围的量子传感、量子成像和量子通信应用提供高质量的单光子源。Wu-Hao Cai, Ying Tian, Rui-Bo Jin “Mid-infrared spectrally pure single-photon states generation from 22 nonlinear optical crystals” Quantum Engineering,2023, 6929253 (2023)
《通过在单个量子干涉仪中同时确定双光子的频率和与差来完成双光子的光谱表征》
我们从理论上提出了一种将NOON态干涉仪与HOM干涉仪相结合的量子干涉仪。 使用该干涉仪，可以在单个干涉图的不同部分中显示与双光子频率和和差相关的时间干涉图案。 因此，通过对这样的干涉图进行傅里叶变换，可以同时获得双光子在频率和和频率差上的光谱相关信息。 这提供了一种对具有交换对称性的任意双光子态进行完整光谱表征的方法，并且可应用于难以进行直接光谱测量的量子傅立叶变换光谱研究中。Baihong Li, Changhua Chen, Xiao Xiang, Runai Quan, Ruifang Dong, Shougang Zhang , Xiangying Hao, and Rui-Bo Jin “Complete spectral characterization of biphotons by simultaneously determining their frequency sum and difference in a single quantum interferometer” Physics Review A 108, 023713 (2023)
《基于铌酸锂晶体的中红外纠缠光子源设计》
中红外 (MIR) 波段的纠缠光源对于下一代量子通信、量子成像和量子传感至关重要。然而，目前纠缠态的制备主要还是集中在可见光或近红外波段。在中红外波段仍然缺乏高质量的纠缠光源。在本工作中，我们通过优化铌酸锂晶体的极化序列，制备了3.2 µm波段的两种典型的纠缠态，即厄密-高斯（Hermit-Gaussian）态和梳状纠缠态。此外，我们还计算了本方案中的光子对产生率，并估算了实际加工分辨率对结果的影响。我们的方法将为中红外波段中的量子信息研究提供具有优异性能的纠缠光子源。Jin-Long Zhu, Wen-Xin Zhu, Xiao-Tao Shi, Chen-Tao Zhang, Xiangying Hao, Zi-Xiang Yang, and Rui-Bo Jin “Design of mid-infrared entangled photon sources using lithium niobate” J. Opt. Soc. Am. B 40(1), A9-A16 (2023)
《频率可分辨的改进型 Hong-Ou-Mandel 干涉》
改进型Hong-Ou-Mandel (HOM) 干涉揭示了双光子干涉现象只能用双光子波包的概念来解释，而不能用单光子波包的概念来解释。 然而，改进型HOM干涉的时域干涉图在某些情况下变得平坦，以至于无法从时域测量中提取有用的信息。 在本研究中，我们在理论上从频域的角度来研究了这一干涉，并在频域获得了高可见度。 研究结果表明，在频域干涉中，联合光谱强度沿频率和与频率差方向都存在调制效应。 这与仅在一个方向上发生调制的HOM 干涉和 N00N 态干涉的情况完全不同。 此外，我们还展示了这种调制在高维频率纠缠态的产生和表征方面的潜在应用。Baihong Li, Boxin Yuan, Changhua Chen, Xiao Xiang, Runai Quan, Ruifang Dong, Shougang Zhang, Rui-Bo Jin “Spectrally resolved two-photon interference in a modified Hong–Ou–Mandel interferometer” Optics and Laser Technology 159,109039 (2023)
2022
《利用时域操纵实现双光子频域调制：频域模式的量子光学合成》
精确控制纠缠光子的时频模式对于未来的量子科学和技术至关重要。 最近，我们在实验上展示了一种频域量子光学合成 (FD-QOS) 的方法，该方法利用二维傅里叶变换原理，通过操纵联合频率分布的振幅和相位来合成不同的双光子时域分布。这种FD-QOS方法提供了一种高效、灵活且易于控制的方式来精确调制超快纠缠光子的时间分布。然而，仅对时间模式的操作不足以满足量子信息中的各种应用，因为在许多情况下也需要频率的调制。 在本文中，我们在理论上提出并在实验上验证了一个时域量子光合成 (TD-QOS)的方法。 该方法通过操纵双光子波包的振幅和相位分布来合成不同的双光子频域分布。我们通过测量联合频率强度和Hong-Ou-Mandel干涉来实现对双光子频域分布的刻画。FD-QOS 和 TD-QOS 的组合可以实现对双光子态的完全控制。 本工作有望促进基于纠缠光子时频模式的量子技术的发展。Rui-Bo Jin, Hiroki Oshima, Takumi Yagisawa, Masahiro Yabuno, Shigehito Miki, Fumihiro China, Hirotaka Terai, and Ryosuke Shimizu* “Two-photon spectral modulation via temporal manipulation: Quantum optical synthesis of spectral modes from temporal square waves” Applied Physics Letters 121, 244002 (2022)
《利用域排列算法设计铌酸锂晶体实现3 μm中红外波段频域纯态单光子源》
中红外波段的单光子源对于下一代量子传感、量子通信和量子成像的研究非常重要. 目前常用的产生中红外单光子源的方法是基于周期极化铌酸锂(periodically poled lithium niobate, PPLN) 自发参量下转换过程. 但是, 基于普通PPLN 制备的单光子源频域纯度不高, 最高值只有0.82 左右, 会影响量子信息处理方案的保真度. 本文利用域设计理论对30 mm 长铌酸锂晶体的4000 个域进行了定制化排列, 消除了相位匹配函数中的旁瓣, 获得了高斯型的分布. 计算得到的单光子源的频域纯度可达0.99, 可调谐范围为2.7 —3.3 μm. 该定制极化铌酸锂(customized poled lithium niobate, CPLN) 有望为中红外波段量子信息研究提供性能优异的单光子光源.
张晨涛, 石小涛, 朱文新, 朱金龙, 郝向英, 金锐博 “利用域排列算法设计铌酸锂晶体实现3 μm中红外波段频域纯态单光子源 ” 物理学报 71(20), 204201 (2022)
《分数阶涡旋希尔伯特酒店的实验实现》
希尔伯特酒店是一个关于无限集合的数学悖论，这个悖论涉及如何在一个拥有无限房间且满员的酒店中再入住一个新的客人。在过去的十年里，已经有很多理论猜想和实验在现实物理中展示这一悖论，使用现实物理系统演示希尔伯特酒店不仅只为了证明希尔伯特酒店只存在于想象，另一个原因是为了探索希尔伯特酒店对量子通信和传感的影响。在本文中，我们通过实验证明了 Gbur [Optica 3, 222 (2016)] 提出的在分数阶涡旋光中存在这一现象的理论。更具体地说，我们使用光的轨道角动量进行了干涉实验，以验证希尔伯特无限酒店悖论。在我们的实验中，新房间中客人的重新分配被映射为干涉条纹的变化，而干涉条纹的变化由光束拓扑荷的变化来控制。Xi Chen, Shun Wang, Chenglong You, Omar S. Magaña-Loaiza, Rui-Bo Jin “Experimental implementation of the fractional-vortex Hilbert hotel” Physics Review A 106, 033521 (2022)
《利用元启发式算法设计铌酸锂晶体制备中红外波段纯态单光子源》
中红外波段的量子光源在量子传感、量子成像和量子通信等许多应用中发挥着重要作用。然而，中红外波段仍然缺乏高质量的量子光源，例如频域纯态单光子源。 在本工作中，我们提出了使用元启发式算法优化极化铌酸锂晶体产生频域纯态。 具体地，我们采用了粒子群优化算法来优化铌酸锂晶体极化周期的占空比。采用该方法制备的单光子源的频域纯度可以从0.820提高到0.998，波长可调范围可以覆盖3.0-4.0 um。该算法是一种通用技术，也可以用来设计各种波段的其他准相位匹配晶体。本工作设计的纯态单光子源有望促进中红外波段的量子信息技术的发展。Wu-Hao Cai, Ying Tian, Shun Wang, Chenglong You, Qiang Zhou, Rui-Bo Jin “Optimized Design of the Lithium Niobate for Spectrally-Pure-State Generation at MIR Wavelengths Using Metaheuristic Algorithm.” Advanced Quantum Technologies 5, 2200028(2022)
《基于深度学习算法的含衍射涡旋光识别》
光的轨道角动量（OAM）被认为是量子技术中的宝贵资源，特别是在量子通信和量子传感和测距方面。然而，光的 OAM 态容易受到传播距离和相位失真等不良实验条件的影响，这阻碍了相关技术实际实施的潜力。在本文中，我们利用优化后的深度学习神经网络来识别具有相位失真的多个传播距离的不同OAM光模式。具体来说，我们训练的深度学习神经网络可以以97%的准确率有效地识别涡旋光束的拓扑荷值（从1到5）和传播距离（从40cm到100cm）。我们的技术对基于OAM的通信和传感具有重要意义。两位审稿人对我们的工作都给予了较高的评价：“在本文中，作者展示了一种深度学习辅助的方法来识别具有不同拓扑电荷和传播距离的涡旋光束，甚至在湍流情况下。作者提出的方法是有趣和有用的”；“他们训练了一个增强的深度学习神经网络，并识别出即使在严重湍流的影响下，拓扑电荷和传播距离也不同的涡旋光束。结果是有趣的”。相关成果发表在国际学术期刊Frontiers in Physics上：Heng Lv, Yan Guo, Zi-Xiang Yang, Chunling Ding, Wu-Hao Cai, Chenglong You, Rui-Bo Jin, “Identification of diffracted vortex beams at different propagation distances using deep learning,” Frontiers in Physics 10, 843932 (2022)
《使用光学克尔门对单光子波包进行超快测量》
具有时频纠缠光子的超快量子光学处于未来量子技术发展的前沿。然而，为了研究纠缠光子的时域结构并充分利用其丰富的维度，需要具有亚皮秒时间分辨率的单光子探测器。在本工作中，我们把满足群速度匹配（GVM）的光子晶体光纤（PCF）使放置在 Sagnac 干涉仪内组成光学克尔门，进行超快单光子检测。我们用224 ± 9 fs 的时间分辨率测量了一个宣布式单光子的近矩形时间波形，该光子通过自发参量下转换产生。 该PCF具有高的非线性和有效相互作用长度，使得我们仅用 30.5 mW 的门脉冲平均功率即可实现最大检测效率。与以前的光学门脉冲和频相比，采用的功率下降了一个数量级。此外，我们还讨论了检测效率和时间分辨率之间的权衡关系。Masahiro Yabuno, Takahiro Takumi, Fumihiro China, Shigehito Miki, Hirotaka Terai, Peter J. Mosley, Rui-Bo Jin, Ryosuke Shimizu “Ultrafast measurement of a single-photon wave packet using an optical Kerr gate” Optics Express 30(4), 4999-5007 (2022)
《中红外波段量子光源的研究进展》（特邀综述）
中红外波段的高质量量子光源对于下一代量子传感、量子成像和量子通信具有重要意义，已成为量子研究的热点。
论文首先概述了研究中红外波段量子光源的意义，包括：（1）中红外波段几乎包含所有气体分子的基本吸收带，因此气体传感和检测的相关技术需使用中红外波段的光；（2）大气具有高透光率、弱湍流、弱背景噪声等优点，因此3~5μm 的大气窗口非常适合空间长距离通信;（3）室温物体发出的电磁波分布于中红外波段，因此该波段广泛引用于红外热成像。中红外波在经典的光学传感、通信、成像等方面有广泛应用。 如果能将这些优势拓展至量子领域，实现中红外波段的量子传感、量子通信、量子成像，则有更广阔的应用前景。 在医学领域，中红外波段的单光子源可用于超低光下的医学成像、生物样本成像和热成像;在军事领域，可用于自由空间量子安全通信、目标定位的量子激光雷达;在材料研究领域，可在少光子状态下检测化学样品。
然后，论文综述了中红外波段单光子源和纠缠光源的研究进展，包括（1）基于PPLN晶体、其他非线性光学晶体和硅基波导制备单光子源的进展；（2）基于PPLN晶体、PPKN晶体和半导体量子阱制备纠缠光源的进展。
最后，论文对该领域未来发展方向进行了展望，包括（1）非线性光学晶体方面：PPLN仅能覆盖5um以下的波段，需要开发效率更高、覆盖范围更广的中红外非线性光学晶体；（2）单光子探测器方面：目前在近红外波段性能表现最优的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的探测效率仅2%， 因此，很有必要寻找高性能的探测方法；（3）应用场景方面：量子光源的应用需要进一步扩展。
相关成果发表在《安徽大学学报》上。金锐博，田颖，中红外波段量子光源的研究进展 （特邀综述），安徽大学学报（自然科学版） 第45卷第5期,10-19 (2021)
2021-1
《二维时间-频率空间的量子光合成》
2021年8月3日，美国物理联合会（AIP）旗下著名期刊APL Photonics（影响因子5.672）发表了我们的论文《二维时间-频率空间的量子光合成》。
传统的光学合成技术，即操纵光谱分量的振幅和相位以产生具有不同时间模式的光脉冲，正在彻底改变着超快光学和计量学。该技术的基础是光场在时域和频域之间的一维傅立叶变换。然而，一维傅立叶变换方法无法处理带有量子关联特性的光子。在本研究中，我们把光学傅立叶合成技术从一维扩展到高维空间来处理量子相关性，并在实验上展示了双光子态在二维时频空间的调控。作为一个潜在的应用，我们也展示了对宣布式单光子源时域分布的调控，这是传统的一维傅立叶光学无法解释的。我们的方法为双光子波包的时间特性调控开辟了一条新的途径。这种高维处理方法有可能在量子光学和超快光学测量之间架起一座桥梁。
三位审稿人都对我们的工作给予了较高的评价：“将传统的傅立叶变换扩展到量子体系是有趣的，值得研究。本研究可能会激发量子光谱学的新应用”； “二维时频空间中量子态合成的想法很有趣，展示它的方案也很聪明。 实验结果扎实，有准确的描述和解释”;“这是操纵光子对的时频结构的一种巧妙而有趣的方式，并且呈现的数据质量非常高。 手稿大部分都写得很好，并且清楚地解释了技术。我相信该领域的人会对这项工作感兴趣，因此我相信该手稿适合在 APL Photonics 上发表”。
Rui-Bo Jin, Kurumi Tazawa, Naoto Asamura, Masahiro Yabuno, Shigehito Miki, Fumihiro China, Hirotaka Terai, Kaoru Minoshima, and Ryosuke Shimizu, “Quantum optical synthesis in 2D time–frequency space” APL Photonics 6, 086104 (2021)
2021-2
《使用PPKTP同构晶体产生太赫兹波的理论研究》
基于非线性光学晶体的差频过程产生高亮度的太赫兹（THz）波光源对于太赫兹波在各个行业的具体应用具有重要意义。 为了找到更多新颖的非线性晶体，我们在理论上研究了使用PPKTP的同构晶体来产生THz 波，包括周期极化的RTP、KTA、RTA 和CTA。 通过求解级联差频耦合波动方程，我们发现对于KTP、 RTP、KTA、RTA 和 CTA晶体，级联差频过程产生的太赫兹波的强度比非级联情况提高了5.27、2.87、2.82、3.03和2.76倍。 我们还详细分析了晶体吸收、相位失配和泵浦强度对的制备THz波的影响。 该研究有望为高亮度太赫兹辐射源的实验制备提供理论支持。
Guo-Qun Chen, Hong-Yang Zhao, Shun Wang, Xiangying Hao, Hai-Wei Du, Rui-Bo Jin, “Terahertz waves generation using the isomorphs of PPKTP crystal: a theoretical investigation”, OSA Continuum 4(8),2330-2338 (2021)
2021-3
《宽带激光二极管泵浦PPKTP晶体的Sagnac型偏振纠缠光源》
我们在实验上利用II型相位匹配的周期极化磷酸钛氧钾(PPKTP)晶体，在810nm波段产生了偏振纠缠光源。泵浦光采用了一种价格便宜的多纵模单横模激光二极管，其中心波长为405nm，典型带宽为0.53nm。PPKTP晶体被放置于一个Sagnac型结构中以实现紧凑性和高稳定性。产生的下转换光，即信号光和闲频光的带宽分别为5.57nm和7.32nm。我们制备了两种Bell态 |Psi+>和|Psi->，对应的保真度分别为0.948±0.004和0.963±0.002。在偏振关联测试中，所有的干涉度均高于96.2%。在Bell不等式测量中，得到的S值可达2.78±0.01。该工作有望促进高质量低成本的量子纠缠光源走出实验室，在实际工程项目和研究生教学等方面获得应用。
Neng Cai, Wu-Hao Cai, Shun Wang, Fang Li, Ryosuke Shimizu, and Rui-Bo Jin, “Broadband-laser-diode pumped periodically poled potassium titanyl phosphate-Sagnac polarization-entangled photon source,” J. Opt. Soc. Am. B 39(1), 77-82 (2022)
2020-1
《中红外波段基于掺杂PPLN晶体制备频率不关联双光子态的理论研究》
该项工作首次提出利用掺杂PPLN晶体的掺杂浓度来调谐中红外单光子源的波长。在理论上研究了利用PPLN掺杂晶体通过自发参量下转换过程在中红外波段制备频谱不关联的双光子态。掺杂成份包括MgO、ZnO和In2O3，掺杂浓度变化范围为0 ~ 7mol%。计算结果表明，这些晶体在中红外波段满足三种群速度匹配(GVM)条件，在GVM1、GVM2和GVM3条件下，波长分别约为2.5um、4.0um和3.2um，双光子的频域纯度分别约为0.97、0.97和0.82。我们还计算了PPLN掺杂晶体的温度变化特性及HOM干涉特性。研究发现掺杂比例对GVM波长有显著影响，特别是共掺杂的GVM2波长。InZnLN晶体的可调范围为678.7nm，比传统的温度调节方法所能达到的小于100 nm的可调范围要宽6倍以上。这表明掺杂浓度可以作为一个自由度来操纵双光子态的联合频谱分布。本研究有望为中红外波段的量子传感、量子成像和量子通信等应用提供高质量的纯态单光子源和纠缠光源。
Bei Wei, Wu-Hao Cai, Chunling Ding, Guang-Wei Deng, Ryosuke Shimizu, Qiang Zhou, Rui-Bo Jin “Mid-infrared spectrally-uncorrelated biphotons generation from doped PPLN: a theoretical investigation” Optics Express 29(1), 256-271 (2021)
2020-2
《PPKTP同构晶体以反向传播方式在1550nm制备频率无关联的双光子态》
该工作采用的磷酸钛氧钾家族晶体制备可用于通信波段量子存储的单光子源。周期极化磷酸钛氧钾(PPKTP)晶体在量子信息研究中用途广泛，在之前的研究中，人们着重对PPKTP及其同构晶体在通信波段的单光子源制备进行了研究。最近，我们发现反向传播参量下转换(CP-SPDC)具有装置简单、频谱窄、纯度高的特点，在此基础上，我们对PPKTP家族晶体在CP-SPDC条件下产生频谱无关联的双光子态进行了理论研究。通过计算我们发现五种晶体均能产生纯度极高的宣布式单光子，并具有很宽的调谐范围。在0型CP-SPDC条件下，它们在1550nm处的纯度为0.91-0.92，并在1500 nm -2000nm范围内均能保持0.90以上的纯度；在II型CP-SPDC条件下，它们在1550nm处的纯度为0.96-0.98，并能在超过600 nm 的范围内保持0.96以上的纯度。此外，我们还模拟了PPRTP晶体在1550 nm处的Hong-Ou-Mandel干涉，在0型和II型CP-SPDC条件得到的结果分别为92% 和97%。本研究可为通信波段的量子存储和量子网络提供窄带单光子源的候选方案。
Wu-Hao Cai, Bei Wei, Shun Wang, and Rui-Bo Jin “Counter-propagating spectrally uncorrelated biphotons at 1550 nm generated from periodically poled MTiOXO4 (M = K, Rb, Cs; X = P, As)”, J. Opt. Soc. Am. B 37(10), 3048-3054 (2020)
2020-3
《基于BBO家族晶体制备频率无关联的双光子态》
硼酸盐晶体是量子信息研究中经常使用的晶体，著名的硼酸盐晶体包括BBO、LBO和BiBO晶体。与KDP晶体相比，硼酸盐晶体的突出特点在于，其有效非线性系数高于KDP晶体，例如，BBO晶体的最大有效非线性系数是KDP晶体的6倍。因此，从硼酸盐晶体中制备出单光子源的亮度远高于KDP晶体。在众多的硼酸盐晶体中，人们仅仅探索了BBO晶体中的纯态单光子源的制备，而对于其他晶体的探索，目前尚无报道。我们选择了BBO、CLBO、KABO、KBBF、RBBF、CBBF、BABF、 BiBO、LBO、CBO、LRB4、LCB、YCOB、GdCOB等晶体，计算发现它们满足三种群速度匹配条件，模拟其联合频谱分布得到的宣布式单光子源的纯度高达0.98，并模拟与其相关的Hong-Ou-Mandel干涉，获得了98% 的干涉度。该研究有望为量子信息处理的相关研究提供性能更加优良的单光子源与纠缠光源候选方案。
Rui-Bo Jin, Wu-Hao Cai, Chunling Ding, Feng Mei, Guang-Wei Deng, Ryosuke Shimizu, Qiang Zhou “Spectrally uncorrelated biphotons generated from `the family of BBO crystal’ ” Quantum Engineering 2, e38 (2020)
2019
《基于KDP同构晶体的纯态单光子源的制备》
从非线性光学过程产生的频谱无关联的双光子态是量子信息的重要资源。目前，这种光谱无关联的双光子态只能从有限种类的非线性介质中制备，因此限制了它们的波长范围。为了探索更宽的波长范围，我们在理论上研究了14种磷酸二氢钾（KDP）的同构晶体，从中产生光谱无关联的双光子态。我们发现来自“KDP家族”的11种晶体仍然保持与KDP相似的非线性光学特性，如KDP, DKDP, ADP, DADP, ADA, DADA, RDA, DRDA, RDP, DRDP和KDA，它们满足三种群速度匹配条件，可以在近红外到光通信波段范围内制备光谱无关联的双光子态。基于频谱无关联的双光子态，我们通过检测双光子态的一个成员来预测另一个成员的输出，从而制备出宣布式纯态单光子源。在不使用窄带滤光片的情况下，宣布式单光子的频域纯度可高达0.98;基于独立光源的Hong-Ou-Mandel干涉也可以实现98％的可见度。该研究可为近红外和光通信波段的量子信息处理提供更多更好的单光子源。
Rui-Bo Jin, Neng Cai, Ying Huang, Xiang-Ying Hao, Shun Wang, Fang Li, Hai-Zhi Song, Qiang Zhou, Ryosuke Shimizu “Theoretical investigation of a spectrally pure-state generation from isomorphs of KDP crystal at near-infrared and telecom wavelengths” Physics Review Applied 11.034067(2019)
20181001
《双光子态的时频对偶性：实现量子光学合成器的基础》
时频对偶性是傅立叶变换的一个基本特性，也是现代光学中的一个重要概念。利用时频对偶性可以通过操纵电磁场的振幅和相位来控制光学波形。传统的一维时频对偶性已成功应用于描述经典光(例如激光中发出的超快光脉冲)的行为。然而，一维的处理方法不能描述多光子(例如从自发参量下转换过程中产生的双光子对)在时间频率上的量子关联特性。必须使用二维的方法来处理，但由于技术问题尚未完全展示。在本研究中，我们首次通过测量双光子的频域和时域分布来研究双光子的时频对偶性。实验结果表面双光子的频谱分布满足傅立叶变换限制条件，而单光子的分布则不满足此限制条件。本研究为量子光学合成器的研究铺平了道路，量子光学合成技术有可能成为超越传统光学合成器的下一代技术。
Rui-Bo Jin, Takuma Saito and Ryosuke Shimizu, “Time-frequency duality of biphotons for quantum optical synthesis” Physics Review Applied 10, 034011 (2018)
《在二维频域空间中对双光子频谱的操纵：实现双光子波包任意操控的关键一步》
对于基础科学研究和先进光学制造技术来讲，光波的任意整形都是一个基础而重要的课题。然而，目前对光子波包的整形仍然是具有挑战性的任务。该工作中，我们在实验上对二维频域空间中的双光子波包的频率和相位进行了调控。通过调节晶体的温度来控制频率分布，通过调节色散玻璃片的倾斜角来控制相位分布。通过测量双光子频谱分布和HOM干涉来确认调控的效果。该工作中使用的技术将为多光子波包的任意整形铺平道路。
Rui-Bo Jin, Ryoji Shiina and Ryosuke Shimizu, “Quantum manipulation of biphoton spectral distributions in a 2D frequency space toward arbitrary shaping of a biphoton wave packet,” Optics Express 26, 21153 (2018)
《从PPKTP同构晶体中产生的量子态的热效应研究》
在量子信息的处理过程中，总离不开量子态及其演化过程。其中，单光子态是量子信息中最基本的量子态，其同时也是量子信息处理的基础和出发点。从磷酸钛氧钾同构晶体中产生的单光子态是研究人员最近发现的一类重要的单光子源，但它们的热效应尚不清楚。本文通过理论计算和数值模拟对磷酸钛氧钾的五种同构晶体的热学效应进行了全面而细致的计算。这些热效应对于量子态的精确控制非常重要，未来可能会应用在量子干涉或光谱学中。
Rui-Bo Jin, Guo-Qun Chen, Fabian Laudenbach, Shengmei Zhao and Pei-Xiang Lu “Thermal effects of the quantum states generated from the isomorphs of PPKTP crystal” Optics and Laser Technology 109, 222-226 (2019)
本网讯（通讯员 金锐博）2018年1月24日，美国光学学会旗下顶级期刊Optica（2016影响因子7.7，SCI一区）在线发表了理学院“工大学者”特聘教授金锐博博士的最新研究成果《可应用于量子光谱分析的扩展的维纳-辛钦定理》（Extended Wiener-Khinchin theorem for quantum spectral analysis）。该论文的第一作者为金锐博博士，第一单位为武汉工程大学，合作者为日本电气通信大学的Ryosuke Shimizu副教授。
量子信息是20世纪末期新生的量子力学与信息科学的交叉学科，也是21世纪最重要的战略研究领域之一，它有望为信息科技的持续发展开辟新的原理和方法。量子信息技术目前已经成功地将量子力学基本原理应用至密码学、计算机科学和计量学，形成量子保密通信、量子计算和量子测量等新兴研究领域。如何利用量子力学的基本原理，实现超越经典测量能力的量子测量技术，是目前的研究热点。
维纳-辛钦定理是传统光学中一个常用的定理，它是目前已广泛应用的干涉光谱仪（又称为傅立叶变换光谱仪）的理论基础。干涉光谱仪通过对经典光学干涉（如麦克尔逊干涉、马赫曾德干涉等）条纹做傅立叶变换而获得光源的频谱分布。这种光谱仪只能测量经典光场（如激光）的光谱。近年来，随着科技的进步，几种新型的量子干涉（如HOM型干涉和NOON型干涉）技术已发展成熟。如何在量子干涉的基础上制备出量子干涉光谱仪，从而测量量子光场（如量子纠缠光）的光谱，有可能引发光谱分析领域的一场变革。为了研究这个问题，金锐博博士及合作者把维纳-辛钦定理从经典光学领域扩展到量子光学领域，在理论上给出了扩展后的维纳-辛钦定理定理的表达式，并且在实验上进行了验证。实验结果表明，纠缠光子对之间的合频信息可以通过对NOON型干涉条纹做傅立叶变换得到，而差频信息可以通过对HOM型干涉条纹做傅立叶变换得到。实验结果很好的验证了理论分析。该工作为今后量子干涉光谱仪的开发奠定了理论和实验基础，也为今后在单光子量级弱光条件下研究光与物质的相互作用开辟一条新的路径。
文章链接：Rui-Bo Jin and Ryosuke Shimizu “Extended Wiener-Khinchin theorem for quantum spectral analysis” Optica 5, 93–98 (2018)
本网讯（通讯员 金锐博）2016年12月28日，美国物理学会旗下著名期刊《应用物理评论》（Physics Review Applied）在线发表了理学院“工大学者”特聘教授金锐博博士的最新研究成果《光通信波段的基于周期极化钛氧晶体的频域纯态制备》（Spectrally Pure States at Telecommunications Wavelengths from Periodically Poled MTiOXO4 (M=K, Rb, Cs; X = P, As) Crystals）。
量子信息是20世纪末期新生的量子力学与信息科学的交叉学科，也是21世纪最重要的战略研究领域之一，它有望为信息科技的持续发展开辟新的原理和方法。量子信息技术目前已经成功地将量子力学基本原理应用至密码学和计算机科学，形成量子保密通信和量子计算等新兴研究领域。很多量子信息处理的方案是以纯态单光子为载体的，因此纯态光子源的制备技术非常重要。
传统的纯态单光子源只能在有限的几种晶体、在有限的几个波段制备出来。该论文中提出了一类新的晶体来制备光纤通信波段的频域无关联的单光子源。通过理论计算和数值模拟，金博士及其合作者发现周期极化的磷酸钛氧钾（PPKTP）的四种同构晶体：磷酸钛氧铷（RTP）、砷酸钛氧钾（KTA）、砷酸钛氧铯（CTA）和砷酸钛氧铯（RTA）晶体可以在1300nm波段到2100nm波段制备出高纯态的单光子源。特别是CTA晶体可以在1506nm波段实现0.97的频域高纯度，远远超过之前人们所发现的0.82的最高纯度。文章的最后指出PPKTP晶体有118种同构晶体，但目前人们仅仅研究了其中不到10种晶体的非线性光学性质，因此该领域在未来仍有较大的研究潜力。 该研究将为今后的光通信波段的高纯度单光子源的制备提供更多更好的选择。
文章期刊链接：
Rui-Bo Jin, Pei Zhao, Peigang Deng, Qing-Lin Wu “Spectrally pure states at telecommunications wavelengths from periodically poled MTiOXO 4 (M = K, Rb, Cs; X = P, As) crystals” Physics Review Applied 6, 064017 (2016)
Oral presentations
Highly efficient entanglement swapping for long-distance quantum key distribution by Rui-Bo Jin at QCrypt 2014 Paris
《基于双光子态的量子傅立叶变换的实验研究》 by 金锐博 2018-10-29吉首大学