中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在量子測(cè)量與傳感研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)、劉曌地等人首次提出并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了量子夏克–哈特曼（Shack–Hartmann）波前傳感器。通過(guò)重構(gòu)雙光子橫向空間波函數(shù)，觀測(cè)了位置糾纏光子對(duì)在自由空間傳播時(shí)振幅關(guān)聯(lián)和相位關(guān)聯(lián)的動(dòng)力學(xué)演化。該成果7月16日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。
光場(chǎng)相位分布的測(cè)量是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，特別是在自適應(yīng)光學(xué)中，可用來(lái)校正像差的影響。研究團(tuán)隊(duì)在經(jīng)典波前傳感方面做了一系列的工作，包括研究了基于光子玻姆軌跡實(shí)驗(yàn)裝置的弱測(cè)量波前傳感，實(shí)現(xiàn)了更高的空間分辨率[Laser Photon. Rev. 14, 1900251 (2020); Opt. Lett. 46, 5352 (2021); Opt. Lett. 47, 2734 (2022)]，以及提出并數(shù)值模擬了基于弱測(cè)量波前傳感的糾纏光子波前重構(gòu)[Phys. Rev. A 107, 042608 (2023)]等。
經(jīng)典光學(xué)中，夏克–哈特曼波前傳感是一種廣泛使用的相位測(cè)量方法，它使用微透鏡陣列，將光場(chǎng)在局部空間的傳播方向轉(zhuǎn)換為聚焦光斑的位移，從而測(cè)量得到光場(chǎng)相位梯度的分布，并重構(gòu)出相位。其空間分辨率由透鏡尺寸決定。研究團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，提出并實(shí)現(xiàn)了量子夏克–哈特曼波前傳感器，觀測(cè)到位置糾纏光子對(duì)空間波函數(shù)的動(dòng)力學(xué)演化。雙光子射入透鏡陣列后，在其后焦面探測(cè)雙光子的聯(lián)合空間概率分布，如圖1所示。通過(guò)對(duì)單個(gè)微透鏡孔徑內(nèi)所有點(diǎn)的條件概率分布求和并利用梯度算法可以重構(gòu)出相位，結(jié)合強(qiáng)度分布即可得到雙光子空間波函數(shù)。研究團(tuán)隊(duì)測(cè)量了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子對(duì)在自由空間不同演化時(shí)間的空間波函數(shù)，觀測(cè)到雙光子在自由空間傳播過(guò)程中振幅關(guān)聯(lián)逐漸變?nèi)酰辔魂P(guān)聯(lián)逐漸變強(qiáng)的過(guò)程。研究組還測(cè)量了雙光子在動(dòng)量空間使用空間光調(diào)制器加載雙曲拋物面相位后的波函數(shù)，如圖2所示。該方法作為量子自適應(yīng)光學(xué)這一全新領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在未來(lái)可應(yīng)用于量子通信、天文觀測(cè)和多光子相互作用的檢驗(yàn)中。
中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生鄭逸和特任副研究員劉曌地為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、安徽省、中國(guó)科大和中國(guó)博士后科學(xué)基金會(huì)的資助。
圖1 量子波前傳感原理示意圖（小圖）和實(shí)驗(yàn)裝置圖。
圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，展現(xiàn)了不同距離傳播和相位調(diào)制后的波函數(shù)。各組數(shù)據(jù)第一列是雙光子縱坐標(biāo)取中心值時(shí)橫坐標(biāo)的聯(lián)合波函數(shù)，第二列是中心點(diǎn)的條件波函數(shù)，第三列是中心右上方一點(diǎn)的條件波函數(shù)；第一行是理論值，第二行是實(shí)驗(yàn)重構(gòu)結(jié)果。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.033602
（中國(guó)科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、中國(guó)科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）
