撰稿 | Bentham（华东师范大学，博士）
光学频率梳是一种特殊的光源（以下简称光梳），以有着相同频率间隔在频域上图形神似一把梳子而得名。光梳上每一根梳齿，相当于不同颜色的光，他们在频域上精准地排列，可以高精度测量时间、距离以及光谱。
2005 年，德国物理学教授 Theodor W. Hänsch 凭借着光梳的发明，荣获诺贝尔物理学奖。然而，早期版本的光梳体积庞大而且复杂。
因此，微型光梳逐渐成为研究热点。将所有系统集成在一张芯片上，有助于节省成本、空间和能源。与此同时，微型光梳具备增强现有技术的能力，包括全球定位系统、高速通信、自动驾驶技术、温室气体追踪以及超精准授时等领域。
世界上许多研究小组已经利用多种材料展示了微型光梳，然而，光梳的量子光学特性（量子特性是现代物理学的重要概念。量子纠缠就是一种典型的量子光学特性，即使在超长距离上，粒子之间的纠缠关系也允许它们相互影响）一直没有被清晰地证实存在。
鉴于此，近期来自美国斯坦福大学的研究人员证明，集成在碳化硅芯片上的微型光梳具有量子光学的特性，我们每天日常遇到的“经典”光线并没有表现出纠缠的特点，而当微型光梳中的孤子（名词解释>）成对产生时，他们就会呈现出高度纠缠态。这巩固了我们对量子物理的理解，为利用光梳进行量子光学研究以及大规模光子集成电路开辟了一条新的探索道路。
该研究以“Quantum optics of soliton microcombs”为题在线发表在 Nature Photonics。
研究人员通过激光泵浦碳化硅微环谐振腔得到微型光梳。这种在光学谐振腔中利用三阶光学非线性产生的光梳，又称之为克尔光梳。实验中所用到的微环谐振腔如图 1 和图 2 所示。当足够强度的激光泵浦谐振腔，会产生光学参量震荡，随即形成光梳；当相位锁定之后，可以产生一种稳定低噪的孤子光梳。孤子光梳是光梳光谱、激光雷达、光学频率合成以及光学处理器等应用的技术基础。
相较于复杂的设备，用泵浦激光和非常小的圆环来产生这种特殊的光源，是件非常酷炫的事。另外，芯片上产生的微型光梳的梳齿间距很大，能够观察到光梳精细细节。
为了研究微型光梳的量子特性，研究人员利用数个孤子填充微环，形成孤子晶体，随后利用单光子探测器进行检测，如图 3 所示。
图 3：光梳和产生光梳的微环谐振腔。频率小图显示的是，梳齿之间的相干光（蓝色）和量子光（红色）
通过孤子晶体，实际上可以在梳齿之间观测到更小的光脉冲，研究人员借此来推断出纠缠结构。通过使用单光子探测器，研究人员可以很好地观察到量子行为，而不会被组成梳齿的相干光淹没。
基于初步的实验结果，研究人员试图确认一种物理模型的有效性。这种模型称为线性化模型，常用来描述复杂的量子系统。当他们将理论和实际结果进行比较时，两者十分地吻合。虽然现在他们还没有直接观察到微型光梳具备量子纠缠，但是它目前的结果符合一个意味着纠缠的理论模型，未来的目标是直接观测证明量子纠缠。
在应用方面，微型光梳可以应用在数据中心，提高数据传输的速度；可以应用在卫星上，提供更精确的GPS数据，分析遥远目标物体的化学成分。由于孤子一旦产生，就会产生高度纠缠，未来微型光梳在量子计算中具有无限的潜力和想象力。
论文信息
Guidry, M.A., Lukin, D.M., Yang, K.Y. et al. Quantum optics of soliton microcombs. Nat. Photon. 16, 52–58 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41566-021-00901-z
Stanford engineers and physicists study quantum characteristics of ‘combs’ of light. Stanford News
