最近，陈圆缘、陈理想课题组利用双光子的Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉巧妙实现了双光子频域和时域的高维量子纠缠态调控，并展示了HOM干涉在高维量子态制备和量子频谱分析等方面的新应用。相关成果分别以“Temporal distinguishability in Hong-Ou-Mandel interference for harnessing high-dimensional frequency entanglement”为题发表在npj Quantum Information 7, 167 (2021)，以“Entanglement-assisted absorption spectroscopy by Hong-Ou-Mandel interference”为题发表在Physical Review Applied 17, 014010 （2022）。这些工作为理解和验证量子力学基本物理问题提供了新的思路，也为进一步提高量子精密测量的精度和灵敏度提供了一个新的维度。

背景介绍

量子干涉广泛用于提高量子信息处理的效率和量子精密测量的精确度。HOM干涉就是一种典型的量子干涉现象，它描述的是当两个完全相同的光子同时从不同的输入端口进入分束器时，这两个光子根据玻色子的性质将会从分束器的同一端口输出。因此，如果输入的光子不完全相同，干涉的概率就与光子的不可区分性质或者是它们的纯度相关。正是这种完全不同于经典物理的量子现象已经被广泛应用于量子信息处理任务，包括对单光子源的表征、量子隐形传统和高维量子纠缠态的操控等。

利用HOM干涉技术操控高维量子纠缠态

高维度纠缠的光子能够携带更多的信息，从而增加量子信道容量、提高噪声鲁棒性和加快量子计算速度等，但是高维量子纠缠态的制备和表征一直是令人困扰的难题。因此我们利用HOM干涉效应中对双光子波函数的时域进行调控，从而制备出任意维度的量子频率纠缠态（图1）。为了验证制备所得的量子纠缠态，我们提出利用HOM干涉效应进行表征（图2），该过程可以理解成量子版本的频谱分析，即将复杂的振荡图像分解成简单的简谐振动的概率叠加。该工作以“Temporal distinguishability in Hong-Ou-Mandel interference for harnessing high-dimensional frequency entanglement”为题发表在Nature合作期刊npj Quantum Information 7, 167 (2021)。

图1.高维频率纠缠态的制备

图2.高维频率纠缠态的表征

基于量子纠缠的吸收频谱测量

吸收频谱测量是分析生物和化学样本性质的必备工具之一，但是使用经典光束的传统方法会受散粒噪声限制其精确度，而量子光学则提供了一种提高精确度和噪声鲁棒性的方法。我们利用双光子的HOM干涉效应实现对复杂频谱的测量，不仅避免了对高质量窄频光子源的要求，也节省了测量所需的时间（图3）。另外，属于二阶干涉的HOM干涉具有高稳定性，即使是与波长同一量级的路径长度扰动也不会影响测量结果，从而保证了更高的测量准确性。因此，与经典的吸收频谱测量相比，该方法具有高精度、高灵敏度和高鲁棒性等优势。该工作以“Entanglement-assisted absorption spectroscopy by Hong-Ou-Mandel interference”为题发表在美国物理学会期刊Physical Review Applied 17, 014010 （2022）。

图3. 基于量子纠缠的吸收频谱测量

展望

HOM干涉是量子力学中的一种非常有趣的基本效应。我们的工作表明，HOM效应可为调控双光子波函数的时域和频域信息提供了一个崭新的维度和方案，从而在基于量子纠缠的量子干涉测量技术，包括精密测量和量子计算等领域都具有重要的应用前景。

致谢

感谢陈张海教授、张龙副教授对部分工作的指导和支持！感谢国家自然科学基金重点项目（12034016）和青年科学基金项目（12004318）的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41534-021-00504-0

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.17.014010