頻譜可分辨的多光子干涉及應用研究進展

摘 要： 多光子干涉現象通常是在時域中觀測的，其干涉圖像是通過記錄符合計數作為時間的參數而獲得。因此，其頻譜信息被積分和丟失。頻譜可分辨測量可以直接分辨每個光子的頻率，去掉對頻率的積分，從而獲得頻譜干涉的信息。由于其能觀測到時域無法觀測到的干涉現象，且測量時間短，測量動態范圍大，因而具有很好的研究價值和應用前景。文章首先綜述頻譜可分辨的雙光子（包括HOM 干涉、N00N 態干涉、Franson 干涉）、三光子和四光子等多光子干涉的研究進展。然后介紹這些干涉在產生高維頻率糾纏、時頻網格態及其在量子精密測量中的應用。最后對這一領域作總結和展望。

關鍵詞： 頻譜可分辨測量; 多光子干涉; HOM 干涉; N00N 態干涉; Franson 干涉; 雙光子干涉

中圖分類號： TB9 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2024）12–0078–21

0 引 言

多光子干涉是量子光學中的一種非經典干涉現象[1-3]，其在量子信息領域是基礎且重要的內容，很多重要的應用如量子通信、量子計算、量子精密測量等都基于這種干涉現象。多光子干涉現象通常是在時域中觀測的，其干涉圖像是通過記錄符合計數作為時間的參數而獲得。由于探測器的分辨率很低不足以分辨每個光子的頻率，通過測量一段時間內對其頻率的積分去表征它在時域上的干涉，這樣的干涉叫做頻譜不可分辨的干涉（ spectrallyunresolved interference）。然而，在時域測量中，時間的共軛參數，即光子的光譜信息被積分和丟失。隨著單光子量級的高分辨探測器和光譜技術的發展，人們可以直接分辨每個光子的頻率，去掉對頻率的積分，從而得到它的頻譜干涉的信息，這種技術被稱為頻譜可分辨測量（spectrally resolvedmeasurement）。2015 年，Gerrits 小組[4] 首次提出該技術并利用其展示了頻譜可分辨的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉[5]，揭示了不同時間延遲處的糾纏光子對光譜關聯特性，自其提出以來備受關注。

本文將詳細介紹頻譜可分辨測量的概念、優勢和基于該技術的頻譜可分辨雙光子、三光子和四光子等多光子干涉的研究進展及其在產生高維頻率糾纏、時頻網格態和量子精密測量中的應用。本文共分為6 個部分，首先講述頻譜不可分辨和頻譜可分辨的基本概念和特征，第二部分介紹頻譜可分辨的雙光子干涉（ 包括HOM 干涉、N00N 態干涉、Franson 干涉）的研究進展，第三部分介紹頻譜可分辨的三光子干涉的研究進展，第四部分介紹頻譜可分辨的四光子干涉的研究進展，第五部分介紹頻譜可分辨的多光子干涉的應用，第六部分對全文做總結與展望。