[论文解读] Observation of nonlocal quantum interference between the origins of a four-photon state in a silicon chip

Lan‐Tian Feng, Ming Zhang+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 30被引用 4

一句话总结

本研究在硅光子芯片上实现了四光子态从两个不同空间位置产生的非局域量子干涉，利用四个集成螺旋波导通过自发四波混频产生光子对。通过调节相位，实现了四光子态的相干抑制与复兴，揭示了无需显式纠缠的非局域效应，展示了量子非局域性与集成量子技术的全新平台。

ABSTRACT

Quantum mechanically, multiple particles can jointly be in a coherent superposition of two or more different states at the same time. This property is called quantum entanglement, and gives rise to characteristic nonlocal interference and stays at the heart of quantum information process. Here, rather than interference of different intrinsic properties of particles, we experimentally demonstrated coherent superposition of two different birthplaces of a four-photon state. The quantum state is created in four probabilistic photon-pair sources, two combinations of which can create photon quadruplets. Coherent elimination and revival of distributed 4-photons can be fully controlled by tuning a phase. The stringent coherence requirements are met by using a silicon-based integrated photonic chip that contains four spiral waveguides for producing photon pairs via spontaneous four-wave mixing. The experiment gives rise to peculiar nonlocal phenomena without any obvious involvement of entanglement. Besides several potential applications that exploit the new on-chip technology, it opens up the possibility for fundamental studies on nonlocality with spatially separated locations.

研究动机与目标

• 探索四光子态来自空间分离源的相干叠加所产生的非局域量子现象。
• 在紧凑的集成光子平台上，通过相位调节实现对四光子态生成的控制。
• 研究不依赖于传统纠缠机制的非局域干涉效应。
• 开发一种可扩展的片上解决方案，用于生成和操控具有高相干性的多光子量子态。

提出的方法

• 采用基于硅的集成光子芯片，内含四个螺旋波导，通过自发四波混频实现概率性光子对生成。
• 设计了两对独立的光子对源，通过两种不同的源组合方式生成四光子态。
• 在芯片上实现精确的相位控制，以相干方式操控两条源路径之间的干涉。
• 通过测量输出态的布居数，观察作为相位调节函数的四光子态的相干抑制与复兴。
• 通过集成波导结构的高稳定性和低损耗，确保严格的相干性要求。
• 利用干涉图案探测由同一量子态的分离起源所产生的非局域量子行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不依赖纠缠的情况下，观测到四光子态两个不同空间起源之间的非局域量子干涉？
• RQ2 在集成光子平台上，四光子态的生成在多大程度上可通过相位调节实现相干控制？
• RQ3 多光子量子态中源位置相干叠加的可观测特征是什么？
• RQ4 集成硅光子芯片架构在多大程度上支持此类非局域量子效应的严格相干性要求？

主要发现

• 通过调节两条源路径之间的相对相位，实验观测到四光子态的相干抑制与复兴。
• 干涉图案清晰表现出非局域行为，其结果取决于空间分离源之间的相位差。
• 干涉条纹具有高可见度，证实了不同起源之间叠加的相干性。
• 该态的构建中未显式包含纠缠，凸显了一种非局域量子效应的新机制。
• 硅光子芯片实现了稳定、低损耗的运行，并具备精确的相位控制，这对观测该效应至关重要。
• 结果为非局域性的基础研究以及集成量子信息处理开辟了新路径。