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量子光学能否实际应用很大程度上取决于在保持量子态的同时能否聚集大量光子。在各种各样的量子系统中，光子以其弱相互作用著称，因此即使在室温下也能实现较长的相干时间，使其可以长距离传输量子比特。然而，光子的弱相互作用限制了多光子量子态（N-光子态）的产生。目前来讲，产生N-光子态仍然是量子光学领域的一个重要挑战。
基于此，南京大学的研究团队首次实现可以确定性地生成多光子量子比特态，使得光子数倍增的效率为 100%，从而具有无限数量的光子。而且该方案在实验上具有可行性，他们采用了具有超强χ(2)非线性相互作用的绝缘体上铌酸锂(LNOI)平台。该成果以“Deterministic N-photon state generation using lithium niobate on insulator device”为题发表在Advanced Photonics Nexus上（ DOI: 10.1117/1.APN.2.1.016003）。
图1 LNOI电路中确定性N-光子状态生成的片上设计方案
该技术的关键器件是光子数倍增单元（photon-number doublingunit，PDU），它可以在保持光谱不变的情况下将光子数量加倍。在PDU中，最具挑战性的部分是从单光子到双光子的确定性转换。虽然在这之前已经有人提出过并进行了理论研究，但只是在理想的χ(2)或χ(3)材料假设前提下。
基于实际的材料参数，研究人员提出了实验上可行的PDU方案。实验表明，PDU对于不同量子技术应用的N量子比特状态的生成是通用的。同时，他们提出了N-光子Fock态、集群态和GHZ态的片上设计作为示例。
该方案还涉及高Q值LNOI微环谐振器中的确定性参数下转换（DPDC）。结合LNOI平台的超高非线性和谐振器的腔增强效应，DPDC 可以通过 Q 因子高达107的微环来实现，当前的实验制造是可以实现的。除此之外，为了实现可扩展性，在PDU中还需要一个确定性的参数上转换（DPUC），用于将光子频率转换回泵浦频率。究人员表明，这可以在LNOI电路中以mW级的片上功率实现。
该研究主要作者、南京大学电子科学与工程学院谢臻达教授表述，实现多光子量子态是量子光学和量子信息领域的最终目标之一，他们的工作首次考虑实际材料参数的确定性 N-光子态生成的实验可行方案。这种基于 LNOI 的确定性单光子相互作用不仅可以用于生成光子，还可以用于光子操纵以实现量子门、量子存储等，推动量子计算、量子通信和整个量子信息技术的发展。
