近期，中國科學技術(shù)大學郭光燦院士團隊在多體非線性量子干涉研究中取得重要進展。該團隊任希鋒研究組與德國馬克斯普朗克光科學研究所MarioKrenn教授合作，基于光量子集成芯片，國際首次展示了四光子非線性產(chǎn)生過程的干涉，相關(guān)成果于1月13日發(fā)表在光學權(quán)威學術(shù)期刊Optica上。

量子干涉是眾多量子應用的基礎(chǔ)，特別是近年來基于路徑不可區(qū)分性產(chǎn)生的非線性干涉過程越來越引起人們的關(guān)注。盡管雙光子非線性干涉過程已經(jīng)實現(xiàn)了二十多年，并且在許多新興量子技術(shù)中得到了應用，直到2017年人們才在理論上將該現(xiàn)象擴展到多光子過程，但實驗上由于需要極高的相位穩(wěn)定性和路徑重合性需求，一直未獲得新的進展。

光量子集成芯片，以其極高的相位穩(wěn)定性和可重構(gòu)性逐漸發(fā)展成為展示新型量子應用、開發(fā)新型量子器件的理想平臺，也為多光子非線性干涉研究提供了實現(xiàn)的可能性。任希鋒研究組長期致力于硅基光量子集成芯片開發(fā)及相關(guān)應用研究并取得系列重要進展：

（1）國際上首次基于硅基光子集成芯片實現(xiàn)了四光子源的制備（Light Sci Appl 8, 41, 2019）；
（2）首次實現(xiàn)頻率兼并四光子糾纏源制備（npj Quantum Inf 5, 90, 2019）；
（3）首次實現(xiàn)波導模式編碼的量子邏輯門操作（Phys. Rev. Lett. 128, 060501,2022）和超緊湊量子邏輯門操作（Phys. Rev. Lett., 126, 130501,2021）等。

在這些工作基礎(chǔ)上，研究組同MarioKrenn教授合作，通過進一步將多光子量子光源模塊、濾波模塊和延時模塊等結(jié)構(gòu)進一步片上級聯(lián)，在國際上首次展示了四光子非線性產(chǎn)生過程的相干相長、相消過程。

實驗結(jié)果如圖1(a)所示，四光子干涉可見度為0.78。而雙光子符合并未觀測到隨相位的明顯變化，這同理論預期一致。整個實驗在一個尺寸僅為3.8×0.8mm2的硅基集成光子芯片上完成，如圖1(b)所示。

(a)

(b)

圖1. (a)量子干涉測量結(jié)果；(b)用于實現(xiàn)四光子非線性量子干涉的集成光量子芯片

該成果成功地將兩光子非線性干涉過程擴展到多光子過程，為新型量子態(tài)制備、遠程量子計量以及新的非局域多光子干涉效應觀測等眾多新應用奠定了基礎(chǔ)。

中科院量子信息重點實驗室任希鋒教授、德國馬克斯普朗克光科學研究所MarioKrenn教授為論文共同通訊作者，中科院量子信息重點實驗室特任副研究員馮蘭天為論文第一作者。此外，浙江大學戴道鋅教授和張明助理研究員為該工作提供了技術(shù)支持。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術(shù)大學的資助。