Press

Press Release  媒体报道&中文解说



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)



2020-3

《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)


2020-1

《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)



《可应用于量子光谱分析的扩展的维纳-辛钦定理》

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)



《光通信波段的基于周期极化钛氧晶体的频域纯态制备》

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