郭光灿

中国科大郭光灿院士团队在多体非线性量子干涉研究中取得重要进展。该团队任希锋研究组与德国马克斯普朗克光科学研究所MarioKrenn教授合作，基于光量子集成芯片，国际首次展示了四光子非线性产生过程的干涉，相关成果于1月13日发表在光学权威学术期刊Optica上。量子干涉是众多量子应用的基础，特别是近年来基于路径不可区分性产生的非线性干涉过程越来越引起人们的关注。尽管双光子非线性干涉过程已经实现了二十多年，并且在许多新兴量子技术中得到了应用，直到2017年人们才在理论上将该现象扩展到多光子过程，但实验上由于需要极高的相位稳定性和路径重合性需求，一直未获得新的进展。光量子集成芯片，以其极高的相位稳定性和可重构性逐渐发展成为展示新型量子应用、开发新型量子器件的理想平台，也为多光子非线性干涉研究提供了实现的可能性。任希锋研究组长期致力于硅基光量子集成芯片开发及相关应用研究并取得系列重要进展：（1）国际上首次基于硅基光子集成芯片实现了四光子源的制备（Light Sci Appl 8, 41, 2019）；（2）首次实现频率兼并四光子纠缠源制备（npj Quantum Inf 5, 90,

中国科大郭光灿院士团队在微腔光学频率梳的研究方面取得重要进展。该团队董春华教授及合作者邹长铃等人提出一种普适的微腔色散调控机制，实现了光频梳中心频率和重复频率的实时独立调控，并应用于光学波长的精密测量，将波长的测量精度提升到kHz量级。相关研究成果1月12日发表在Nature Communications上。近年来，基于光学微腔的孤子微梳在精密光谱学、光钟、微波光子学、天文学等领域引起了极大的研究兴趣。然而，由于环境和激光噪声以及微腔中额外非线性效应的影响，孤子微梳的稳定性受到了很大的限制，这成为微光梳在实际应用中的一个主要障碍。在之前的工作中，科学家们通过控制材料的折射率或者微腔的几何尺寸以实现实时反馈，从而稳定并调控光频梳，这种方法会引起微腔内所有共振模式同时近乎均匀的变化，缺乏独立调控梳齿频率和重复频率的能力，这大大限制了微光梳在精密光谱、微波光子、光学测距等实际场景中的应用。针对这一难题，研究团队提出了一种新的物理机制实现了对于光频梳中心频率和重复频率的独立实时调控。通过引入两种不同的微腔色散调控手段，该团队能够对微腔不同阶次的色散进行独立控制，从而实现光频梳不同梳

中国科大郭光灿院士团队在腔光力系统研究方面取得新进展。该团队的董春华教授研究组通过光辐射压力实现两光学模式和两机械模式间的相互作用，进而实现了任意两模式间全光控的非互易频率转换。该研究成果于2023年1月6日发表在国际学术期刊《Physics Review Letters》。光学和声学非互易器件在构建基于光子和声子的信息处理和传感系统中是非常重要的元器件。虽然磁诱导非互易已广泛应用于分立光学非互易器件，但在器件集成化方面仍面临挑战。同时，磁诱导声学非互易由于效应较弱，也难以实现集成的声学非互易器件。腔光力学系统是实现无磁非互易的有效系统之一，在之前的工作中研究组已经演示了基于腔光力相互作用的无磁光学环形器(Nature Communications 9, 1797 (2018))。图注：a-b.光力微腔中四模式耦合；c.相位控制的非互易频率转换的理论和实验结果。在本工作中，研究组研究了单个微腔中光子和声子的非互易转换。利用两个光学模式和两个机械模式通过光力相互作用构成闭环四模元格，这四个模式具有完全不同的频率，分别为388 THz、309 THz、117 MHz和79 MH

中国科大郭光灿院士团队任希锋教授等人与新加坡国立大学仇成伟教授、郭强兵博士等合作，在二维材料非线性量子光源研究中取得重大突破。1月4日，研究成果以《Ultrathin quantum light source with van der Waals NbOCl2 crystal》为题发表在Nature上。小型化、集成化是解决空间光学量子系统稳定性差、不可扩展等问题的理想方案，也是光学量子计算、量子通讯等走向大规模和实用化的必经之路。量子光源作为量子光学系统必不可缺的部分，其小型化一直是人们研究的重点。任希锋教授前期与南京大学等单位合作，将超构表面引入到量子信息领域，集成超构透镜阵列与非线性光学晶体，实现了100路径参量下转换，制备了超高维量子纠缠态和多光子源[Science 368, 1487 (2020)]。为了进一步提高量子光源的集成化程度，任希锋教授与新加坡国立大学等单位的合作者一起，首次利用新型二维材料NbOCl2的非线性过程实现了超薄的量子光源，厚度可低至46nm。图一：NbOCl2晶体的结构测试，单层厚度约0.65nm。二维材料的层内晶体结构稳定，而原子层间的

中国科大郭光灿院士团队在磁光力混合系统研究方面取得新进展。该团队的董春华教授研究组将光力微腔与磁振子微腔直接接触，证明该混合系统支持磁子-声子-光子的相干耦合，进而实现了可调谐的微波-光波转换。该研究成果于2022年12月9日发表在国际学术期刊《Physics Review Letters》。不同的量子系统适合不同的量子操作，包括原子和固态系统，如稀土掺杂晶体、超导电路、钇铁石榴石（YIG）或金刚石中的自旋。通过将声子作为中间媒介，可以实现对不同量子系统的耦合调控，最终构建能发挥不同量子系统优势的混合量子网络。目前，光辐射压力、静电力、磁致伸缩效应、压电效应已被广发用于机械振子与光学光子、微波光子或磁子的耦合。这些相互作用机制促进了光机械领域和磁机械领域的快速发展。在前期工作中，研究组利用YIG微腔中的磁振子具有良好的可调谐特性，结合磁光效应实现了可调谐的单边带微波-光波转换(Photonics Research 10, 820 (2022))。但是由于目前磁光晶体微腔的模式体积大、品质因子难以进一步突破，从而限制了磁光相互作用强度，导致微波-光波转换效率较低。相比之下，腔光力

中国科大郭光灿院士团队在固态量子存储领域取得重要进展。该团队李传锋、周宗权研究组基于掺铒波导实现了通讯波段光子的按需式量子存储，向构建大尺度光纤量子网络迈出重要一步。该成果于11月15日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。量子存储器是量子网络的核心器件，通过按需式读取纠缠光子，可以把远距离光纤传输中的指数级损耗下降为多项式级损耗。为利用现有的光纤网络构建量子网络，量子存储器应工作在通讯波段。稀土铒离子具有独特的通讯波段光跃迁，是实现通讯波段量子存储器的重要候选材料。然而，已有的通讯波段量子存储器的读出时间在光子写入前就已预先设定，无法实现按需式读取。李传锋、周宗权研究组在掺铒硅酸钇(167Er3+:Y2SiO5)晶体上利用激光直写技术自主加工了光波导，并在波导两端直接粘贴集成了普通的单模光纤。为了实现按需式读取，研究组进一步利用电子蒸镀技术在波导两侧加工了片上电极，从而利用电场诱导的斯塔克效应来实时调控波导内铒离子的相干演化。通过极化铒离子的电子自旋，并初始化其核自旋状态，光子的存储效率被提升至10.9%，这一效率相比此前报道的可集成通讯波段量子存储获得了5倍的增强。

中国科大郭光灿院士团队首次实验实现了设备无关的真多体纠缠检验。该团队李传锋、黄运锋、陈耕等人与瑞士学者合作，构造了一种新的真多体纠缠态检验方法，可以在不对测量设备做任何假设的前提下检验多体系统的真纠缠性质。这是国际上首个可以检验任意多体系统真纠缠性质的实验工作，该成果10月31日发表在国际知名学术期刊《物理评论快报》上。如果把多体系统任意分成两部分，这两部分之间都存在纠缠，则多体系统的这种性质就是真多体纠缠。真多体纠缠是量子纠缠的最强存在形式，是实现量子信息过程的重要资源。检验多体系统的真纠缠性质，通常需要预先知道系统的维度，并保证测量设备可精确实现各种测量。然而，真实物理系统有可能存在难以获知的自由度，并且实际测量设备的误差也会造成误判。要解决这些困难，原则上可以采用设备无关的测量，在不对系统做任何假设的前提下，只分析测量结果对Bell不等式的违背，就可以对系统的纠缠性质做出检验。但受限于构造多体Bell不等式的困难，对任意真多体纠缠系统进行设备无关的检验，仍然是一个亟待解决的难题。研究组通过解析多体系统的内部结构，分别划定最小的连通集合和完全的连通集合，进而把两体Bel

中国科大郭光灿院士团队在长时间空间多模量子态存储方向取得新进展：该团队的史保森、丁冬生课题组利用磁场操控技术结合钟态制备的方法实现了基于冷原子系综的光子高维轨道角动量态的长时间存储，相关成果10月31日以“Long-Lived Memory for Orbital Angular Momentum Quantum States”为题发表在学术期刊《Physical Review Letters》上。长距离量子通信的实现离不开量子中继，其中量子存储器是构建量子中继的核心。由于冷原子系综具有集体增强效应以及光谱一致性，可以有效地存储光子的量子态，因此作为极具潜力的量子存储器介质而备受青睐。学术界的众多工作表明，将多模存储器布局到量子网络中，能大幅度提高信道容量，因此多模量子存储器的实现对于构建高容量量子网络具有重要价值。尽管多模量子存储领域已取得重要进展，但基于冷原子系综的长时间空间多模存储还存在许多科学问题亟待解决，其中之一是难以保证所存多模量子态在长时间存储之后仍具有较高的保真度：这是由于复杂的空间模式更容易受到周围环境（例如磁场）的干扰造成的。图1 工作原理图。(a)实验

中国科学技术大学郭光灿院士团队实现了一种基于谐波辅助的光学相位放大测量技术。该团队史保森教授、周志远副教授等人提出了一种基于谐波辅助实现光学相位放大的基本原理，并且利用级联三波混频过程初步实现了干涉仪中相对相位的4倍放大。相关研究成果以“Harmonics-assisted optical phase amplifier”为题于2022年10月27日在线发表在著名期刊《光科学与应用》上[Light: Sci. Appl. 11, 312 (2022)]。干涉是一种基本的光学现象，在近代物理的发展过程中发挥着举足轻重轻重的作用。无论是“以太”的验证、量子力学的构建以及引力波的探测都离不开干涉原理和技术。相位是波动光学和量子光学中一个非常重要的参数，干涉仪中光程差变化与相对相位变化一一对应。在光学精密测量中，几乎所有物理量（如位置、角度、电磁场等）的测量都可以转化为对干涉仪中相对位相变化（或者光程差变化）的测量，因此如何精确测量干涉仪的相位变化是光学科学工作者孜孜以求的目标。一个朴素的想法是通过干涉仪中相对相位放大来提升相位测量分辨率。在量子光学中，通过在干涉仪中注入多光子NOO

中国科大郭光灿院士团队在纳米机电谐振器研究中取得重要进展。该团队郭国平、宋骧骧等人与苏州大学Joel Moser教授及本源量子计算有限公司合作，实现了基于石墨烯的可滑动纳米机电谐振器。相关研究成果近日以“Sliding nanomechanical resonators”为题，发表于《自然·通讯》(Nature Communications)上。一个振动物体的振动性质受到其固定方式的影响，这一规律不仅激励人们在宏观世界发明了各式各样独具特色的乐器，也指引人们在微观尺度上设计制备不同类型的力学谐振器。其中，纳米机电谐振器具有质量轻、频率高、品质好、可调谐等优点，在灵敏探测、信号传感、信息处理等领域展现出广阔的应用前景。尽管这些纳米机电谐振器具有不同的形状和振动模式，但它们通常是被稳定的固定在衬底上。随着研究的深入，能否在纳米尺度上实现其他的固定方式，从而对纳米机电谐振器的力学性能进行调控，逐渐成为研究者们关注的问题。作为二维材料的石墨烯，具有原子级平整的界面，其优异的力学和电学性能，使其成为研究纳米力学，制备纳米机电谐振器的理想材料。我校郭国平教授研究组在前期研究工作（Nat