中國科大成功觀測雙光子空間波函數(shù)動力學(xué)演化

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在量子測量與傳感研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、許金時、劉曌地等人首次提出并實驗實現(xiàn)了量子夏克–哈特曼（Shack–Hartmann）波前傳感器。通過重構(gòu)雙光子橫向空間波函數(shù)，觀測了位置糾纏光子對在自由空間傳播時振幅關(guān)聯(lián)和相位關(guān)聯(lián)的動力學(xué)演化。該成果7月16日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

光場相位分布的測量是一個關(guān)鍵問題，特別是在自適應(yīng)光學(xué)中，可用來校正像差的影響。研究團隊在經(jīng)典波前傳感方面做了一系列的工作，包括研究了基于光子玻姆軌跡實驗裝置的弱測量波前傳感，實現(xiàn)了更高的空間分辨率[Laser Photon. Rev. 14, 1900251 (2020); Opt. Lett. 46, 5352 (2021); Opt. Lett. 47, 2734 (2022)]，以及提出并數(shù)值模擬了基于弱測量波前傳感的糾纏光子波前重構(gòu)[Phys. Rev. A 107, 042608 (2023)]等。

經(jīng)典光學(xué)中，夏克–哈特曼波前傳感是一種廣泛使用的相位測量方法，它使用微透鏡陣列，將光場在局部空間的傳播方向轉(zhuǎn)換為聚焦光斑的位移，從而測量得到光場相位梯度的分布，并重構(gòu)出相位。其空間分辨率由透鏡尺寸決定。研究團隊受此啟發(fā)，提出并實現(xiàn)了量子夏克–哈特曼波前傳感器，觀測到位置糾纏光子對空間波函數(shù)的動力學(xué)演化。雙光子射入透鏡陣列后，在其后焦面探測雙光子的聯(lián)合空間概率分布，如圖1所示。通過對單個微透鏡孔徑內(nèi)所有點的條件概率分布求和并利用梯度算法可以重構(gòu)出相位，結(jié)合強度分布即可得到雙光子空間波函數(shù)。研究團隊測量了自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的光子對在自由空間不同演化時間的空間波函數(shù)，觀測到雙光子在自由空間傳播過程中振幅關(guān)聯(lián)逐漸變?nèi)酰�而相位關(guān)聯(lián)逐漸變強的過程。研究組還測量了雙光子在動量空間使用空間光調(diào)制器加載雙曲拋物面相位后的波函數(shù)，如圖2所示。該方法作為量子自適應(yīng)光學(xué)這一全新領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在未來可應(yīng)用于量子通信、天文觀測和多光子相互作用的檢驗中。

圖1.量子波前傳感原理示意圖（小圖）和實驗裝置圖。

圖2.實驗結(jié)果圖，展現(xiàn)了不同距離傳播和相位調(diào)制后的波函數(shù)。各組數(shù)據(jù)第一列是雙光子縱坐標取中心值時橫坐標的聯(lián)合波函數(shù)，第二列是中心點的條件波函數(shù)，第三列是中心右上方一點的條件波函數(shù)；第一行是理論值，第二行是實驗重構(gòu)結(jié)果。

中國科學(xué)院量子信息重點實驗室博士研究生鄭逸和特任副研究員劉曌地為論文共同第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、安徽省、中國科大和中國博士后科學(xué)基金會的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.033602