光子对形状的变形随着自发参数下转换相互作用强度的增加（从左到右）。图片来源：Thekkadath 等人。

自发参数下转换 （SPDC） 和自发四波混合是强大的非线性光学过程，可以产生具有独特量子特性的多光子光束。这些过程可以用来创造各种量子技术，包括利用量子力学效应的计算机处理器和传感器。

加拿大国家研究委员会和蒙特利尔理工学院的研究人员最近进行了一项研究，观察 SPDC 过程中出现的影响。他们的论文发表在《物理评论快报》上，报告了在 SPDC 中产生的多光子脉冲中观察到增益诱导的群延迟。

“这篇论文的灵感来自研究一种叫做 SPDC 的过程，”该论文的资深作者 Nicolás Quesada 告诉 Phys.org。“说某些材料能够吸收紫色光子（粒子光的组成）并将其转化为两个红色光子，这有点拗口。

“这是一个超级通用的现象，它允许物理学家产生具有有趣相关性的光，因为两个'女儿'红色光子是同时诞生的，需要具有它们'母亲'紫色光子的能量和动量。”

在过去的几十年里，SPDC 一直是众多物理学研究的重点。到目前为止，这个过程主要在一个特定的制度下进行研究，研究人员在每次实验运行中大约每 100 次中将一个紫色光子转化为两个红色光子一次。

“在攻读博士学位期间，我研究了当产生两个子光子的概率开始接近统一，然后，超过这一点时，当你为每次实验运行产生超过一对光子时，会发生什么，”Quesada 说。

“我们发现，子光子出生的颜色开始略有变化，此外，该过程的效率（每个'紫色'光子产生多少个'红色'光子）也发生了变化。”

当 Quesada 第一次开始探索为每次实验运行创建两个或多个子光子的可能性时，他还没有找到通过实验测量的方法。然而，今年，他的同事纪尧姆·特卡达特 （Guillaume Thekkadath） 注意到，颜色的微小变化也可能反映在子光子的不同到达时间上，因为子光子从勉强形成一对到形成许多对。

“我们观察到，SPDC 过程产生的光子数量的增加会导致两个子光子的到达时间发生变化，”Thekkadath 解释说。

“为了研究这种影响，我们对传统的 SPDC 实验装置进行了两项关键修改。首先，我们使用了能够提供超短（飞秒）脉冲的高功率激光器，将其能量压缩成极短的脉冲。这些脉冲被进一步放大，以实现在 SPDC 晶体中产生多对子光子所需的高强度。其次，我们实施了一种称为'光谱干涉测量法'的技术，以高精度测量光子的到达时间。

Thekkadath、Quesada 和他们的同事将高功率激光器产生的光子穿过一根几公里长的光纤，该光纤在时间上拉伸了光子脉冲。随后，他们使用超导纳米线探测器，这是一种高度敏感的设备，可以以出色的定时分辨率检测单个光子，以记录光子的到达时间。

他们收集的结果证实，在其 SPDC 源中生成的多光子脉冲之间存在增益诱导的群延迟。这一观察结果可能对利用量子干涉的设备的未来发展产生重要影响。

“我们的结果表明，在干扰来自 SPDC 源的光时必须格外小心，这些光源会产生不同亮度的光子对（平均产生不同数量的光子对），”Quesada 说。

“如果不小心，让来自两个不同来源的光子在不同时间到达干涉仪，他们就无法执行称为 Hong-Ou-Mandel 干涉的量子力学壮举。这种干扰使由光组成的量子计算机能够超越经典计算机的能力。

最近这篇论文的合著者之一 Martin Houde 最近一直在尝试设计更好的 SPDC 源，其中光子同时出来，而不管发射激光脉冲的亮度如何。Quesada 和他在蒙特利尔理工学院的同事也一直在试图确定光子的不同到达时间（这可能是误差的来源）如何影响光子量子计算机的功能。

“我们的 SPDC 光源相对'明亮'，与大多数光源相比，它会产生数百个子光子对，而大多数光源通常只产生一对，”Thekkadath 补充道。

“然而，这些光子中的许多在到达光学探测器之前就已经丢失了。这些损耗的发生有多种原因，例如透镜等光学元件的反射或光纤的捕获不完整。从一对光子中丢失一个光子是有问题的，因为它会破坏量子增强传感器等技术所必需的量子相关性。

作为他们下一步研究的一部分，Thekkadath 和他在加拿大国家研究委员会的同事们正在努力制定策略，以最大限度地减少量子器件中的光损耗。此外，他们正试图确定如何将他们一直在研究的光子对源用于量子传感和计算，而不管任何相关的光子损失。

更多信息：自发参数下转换中增益诱导的群延迟。物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.203601。在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2405.07909

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv