解决光子量子行走问题的量子行走激光器！

原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

由于相干光模仿量子粒子的干涉，同时受益于更简单的光态制备和操纵，光子晶格为研究量子行走提供了一个自然的平台。这一系列研究产生了诸如量子到经典行走跃迁和相关光子的量子行走等现象，以及光子系统中玻色子相互作用的实验研究。

有鉴于此，苏黎世联邦理工学院量子电子研究所Ina Heckelmann、Jérôme Faist等人提出并证明了一种在合成频率空间中通过外部调制具有超快恢复时间的环形半导体激光器而形成的量子行走梳。初始弹道量子行走不会消散到合成晶格的低超模态；相反，状态在宽频梳中稳定，释放了合成频率晶格的全部潜力。该器件可产生低噪声、近乎平坦的宽带梳（达到100带宽每厘米），为产生宽带、可调、稳定的频率梳提供了一个很有前途的平台。

本文要点：

1）生成合成频率晶格

作者从理论上和实验上证明了通过采用超快饱和增益可以释放合成频率晶格的全部潜力，这种增益的巨大三阶非线性锁定了谐振器模式并有效地抵消了色散。在所提出的量子行走梳中，所产生的低噪声频率梳的带宽可以通过改变射频（RF）注入来连续可调。考虑由活跃的、稍微变形的圆形腔的谐振器模式组成的合成晶格，使用在中红外光谱区域发射的量子级联激光器（QCL）实现。当在腔谐振频率引入额外的射频调制时，会出现具有宽广、高度可调谐和可预测带宽的频率梳。

图1 合成光子晶格中量子行走的稳定性

2）表征光谱输出

为了研究量子行走梳，使用FTIR测量了器件的稳态光谱，表明了高度离域光谱。为了从理论上研究梳状结构，对有源环QCL色散波导中的传播场进行了建模。通过这个模型计算了同转参考系中电场的稳态，通过仅调整一小部分参数，准确地再现了实验光谱，谐振注入下行走梳的带宽达到了合成晶格的基本极限。此外，作者通过移波干涉傅里叶变换光谱证实了单独激光机制的存在。频率梳的稳态测量证实了它的相干性、连续和可预测的调谐、宽带宽以及与理论模型的良好一致性。

图2 量子行走梳的稳态

3）解决光子量子行走问题

为了研究量子行走动力学在塑造稳态光谱中的作用，作者进行了测量和模拟来探索潜在的瞬态过程。实验和模型之间唯一明显的区别是测量光谱中1287 cm−1处中心模式的实验衰减要慢得多，模拟光谱和实验光谱之间的显着一致性为量子行走梳的快速扩展和稳定锁定提供了令人信服的证据。

图3 量子行走和锁定

4）可调性和稳定性

求解共振时的麦克斯韦-布洛赫方程，可以确定量子行走稳定的状态，从而导致的带宽依赖性。为了证实这一预期，谐振功率扫描验证了预测的缩放行为，将高功率下与预期行为的偏差归因于QCL有源区域调制动态的非线性以及高阶色散。在谐振注入下，频率梳表现出与自由运行的单模激光器相同水平的稳定性，证明调制本身不会引入额外的噪声贡献，证明了频率梳操作的卓越稳定性。

图4 射频注入下的量子行走梳装置

编辑：黄飞