中国科学技术大学郭光灿院士团队在制备和表征中红外波段量子纠缠方面取得了重要的研究进展。史保森教授、周志远副教授及其合作伙伴首次制备了3微米中红外波段——能量纠缠光子对，并演示了双光子对-Ou-Mandel干涉。“Quantumentanglentandinterfenceat3μm3月6日，国际知名学术期刊在线发表《Science Advances》上。
光量子信息技术的发展离不开量子光场的产生、调节和探测。尽管近红外波段(0.7)um∽2.5um）相关技术的发展已经比较成熟，但很少有其他波段非经典光子对/单光子制备、调节和检测的报告。近年来，研究人员开始逐步探索量子信息在中红外光谱领域的理论和实验研究，发现中红外非经典光子源与传统通信、成像和传感技术相结合，可以产生新的通信技术、检测和感知手段，因为：1。中红外波段覆盖了几乎所有物质分子的振动光谱，具有分子的“指纹”特征，可用于物质成分的鉴定和分析；2.中红外波段包含多个重要的大气通信窗口，适用于远程自由空间光通信和遥感探测；3.温度为115K∽中红外波段波长为1150K黑体辐射中心，为物体探测提供了有效的热成像手段。
限制量子信息技术扩展到中红外光谱领域的一个关键因素是缺乏高灵敏度的中红外探测器：基于半导体的中红外雪崩单光子探测器和超导探测器目前处于实验室验证阶段，没有商业产品，需要在极低温下工作，以确保低噪声探测。一个有效的解决方案是利用量子频谱迁移单光子探测技术，即利用成熟的高性能硅单光子探测器（如图1所示）将中红外光子频率转换为可见光或近红外区域。
图1.量子频谱迁移检测示意图
近年来，研究团队致力于基于非线性频率转换的中红外纠缠源的制备和表征，并取得了重要进展：团队成功制备了3.08微米的中红外光子对，结合团队开发的高效非线性转换探测技术，通过Hong-Ou-Mandel（HOM）双光子干涉检验了双光子之间的非经典关系，用Franson干涉证明光子之间存在时间-能量纠缠(图2)。
图2. HOM干涉和时间-能量纠缠的表现
该研究是中红外光子纠缠制备的第一项工作，对该领域的发展有重要影响。原则上，中红外纠缠光子对可以通过选择合适的非线性晶体及其参数，结合非线性上转换探测技术，制备和表示任何波长。由于中红外光谱具有分子的“指纹”特征，包括大气层的低损伤传输窗口和与物体的热辐射光谱重叠，预计中红外非经典光子源与传统通信、成像和传感技术的结合将为人们的认知世界提供新的技术和方法，为量子信息技术的发展带来新的机遇。
中国科技大学史保森教授、周志远副教授是该论文的共同沟通作者，博士生葛正、韩赵志志志是该论文的共同第一作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委员会、安徽省和国家电磁空间安全重点实验室开放基金的资助。
论文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adm7565
(中国科学院量子信息重点实验室、量子信息与量子科技创新研究所、物理学院、科研部)