Heterogeneously Integrated Squeezed-Light Generation and Detection on a Single Photonic Chip
本文展示了在单个光子芯片上实现挤压光产生与平衡同相检波的可扩展异质集成，通过克服相互冲突的材料需求，实现了一个在34个量子模式下具有约3 dB挤压度的全集成系统。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，宇宙中充满了持续的、微小的静电嘶嘶声，就像收音机调在两个频道之间时的那种声音。在量子物理的世界里，这不仅仅是噪音；它是一个被称为“散粒噪声”（shot noise）的基本极限，一种让精确测量变得不可能实现的抖动模糊感。科学家们发现了一种利用“挤压光”（squeezed light）来绕过这一规则的方法。把这想象成一个气球：如果你从一侧用力挤压它，另一侧就会鼓出来。挤压光对不确定性也做同样的事情：它通过压缩光的一个特定属性（比如亮度）使其比宇宙的自然极限更安静，代价是让另一个属性（比如时间间隔）变得更加嘈杂。这种“超安静”的光是超灵敏测量的超级力量，例如探测黑洞碰撞产生的时空涟漪，也是一种新型量子计算机的燃料，这种计算机处理信息是基于波而非简单的开/关开关。
多年来，科学家们一直能够制造并测量这种挤压光，但他们必须将这两个过程放在不同的房间里。制造这种光需要一个纯净、超洁净的环境，让光可以在其中传播而不会损失哪怕一点点其特殊的量子特性。然而，测量它则需要一个设计用来“吞噬”光并将其转化为电信号的探测器。试图在同一块硬件上放置一个纯净、低损耗的走廊和一个饥渴、吞噬光的嘴巴，就像是试图建造一座房子，前门是由玻璃制成的（为了让光进入），而后墙是由黑洞制成的（为了吞噬它），且两者位于同一处。这看起来是不可能的，因为每种材料所需的特性在相互冲突。
现在，一组研究人员通过制造一种“异质集成”芯片破解了这个密码。可以将这想象成一位终于掌握了如何在同一个托盘上既烘焙出精致舒芙蕾，又能立即将其盛放在热烫盘子上的大厨，且保证舒芙蕾不会塌陷。他们使用了一块氮化硅芯片，这种芯片非常擅长在不损失任何量子“魔力”的情况下引导光，然后将一种特殊类型的高效探测器粘在上面。这种探测器由另一种材料（InAlGaAs/InP）制成，非常擅长“吃掉”光子，但他们安装得非常小心，使得光线穿过洁净的芯片并完美地落在饥渴的探测器上，没有洒出一滴。
结果是一个单一的光子芯片，它可以生成、路由并测量挤压光。该团队成功创建了一个“量子微梳”（quantum micro-comb），它就像一把拥有 34 个微小齿的梳子，每个齿都是不同颜色的挤压光。他们成功测量了 17 对这些光模式，发现他们成功将噪声降低了约 3 分贝（dB）。为了直观理解，如果宇宙的噪声是一声低语，他们成功地让它变得更小声了一点，证明了这个概念是行得通的。
论文明确反对认为必须将这些组件分开才能获得良好结果的观点。他们展示了通过集成这些组件，他们实际上提高了测量质量，相比于之前那些光必须通过杂乱的电缆和连接器从芯片传输到外部的尝试。在之前的设置中，光在从芯片传输到探测器的过程中损失了很多特殊的属性。通过将一切都保留在芯片上，他们将总损耗降低到了仅 1.1 dB，这是一个巨大的进步。作者直接测量了这些结果，确认了他们看到的噪声确实低于标准量子极限，验证了挤压光在旅途中得以幸存。
虽然目前的设置并不完美——光仍然会损失一些能量，且“梳齿”的大小并不完全一致——但团队指出这仅仅是个开始。他们指出，如果能让光从发生器中更高效地逃逸，并更好地平衡光的分配，他们未来可能会达到更高水平的挤压，例如在不久的将来达到 4.9 dB。这项工作不仅证明了挤压光可以存在于芯片上，还为构建大规模、可扩展的量子计算机和传感器铺平了道路，使它们可以小到可以放在实验室里，而不是需要一整间房的设备。这是迈向未来的一项基础性工作，在那个未来，量子技术将像你口袋里的智能手机一样集成化且普及化。
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