南京大学物理学院王慧田、汪喜林研究组首次实现无后选择腔增强窄线宽轨道角动量纠缠源

南京大学物理学院王慧田、汪喜林研究组在窄线宽纠缠源研究中取得重要进展。突破了腔增强纠缠源制备中的后选择限制，实现了线宽为13.8 MHz无需后选择的直出式轨道角动量（Orbital Angular Momentum，简称OAM）纠缠源。有望为基于长寿命量子存储的远距离量子通信和量子网络以及更多光与物质相互作用的研究提供高品质的窄线宽量子纠缠源。

将光子存储到冷原子或固态系统等介质中，即量子存储，是实现远距离量子通信、分布式量子计算、量子网络等众多量子信息任务的基本功能需求。实现长寿命的量子存储对于量子信息的发展具有重要意义，其核心单元之一是与存储介质线宽（~10 MHz）相匹配的量子纠缠源。自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion, 简称SPDC），即利用非线性晶体将一个高频光子劈裂成两个低频光子，是制备量子纠缠源的一种重要方法。然而，基于SPDC直接产生的纠缠光子对线宽通常在THz量级，与所需的10 MHz相差5个量级。若在SPDC基础上采用被动频谱滤波方法制备窄线宽纠缠源，不仅效率极低、大幅损失光子亮度，而且会严重降低信噪比，导致获得的纠缠源品质有限。一个很好的解决途径便是化被动为主动，将非线性晶体置于光学谐振腔内，利用腔增强SPDC制备窄线宽纠缠源。

自1999年首次实现以来，腔增强SPDC得到了广泛应用，已成为制备关联光子对的标准方法之一。然而，受限于谐振腔共振模式的限制，该方法无法直接实现光子对纠缠，只能通过后选择概率性地将光子对转换为纠缠源。例如，将一对水平竖直线偏振光子对通过分束器干涉后选择在2个出射端有且仅有一个光子的事例，满足条件的光子对概率为50%，在这些事例中，后选择获得的光子对处于偏振纠缠状态。后选择制备纠缠两个不可避免的缺点：（1）降低了光子的亮度，通常会损失一半光子；（2）在后选择过程中，不满足条件的光子对成为无法剔除的寄生噪声，导致满足条件的纠缠光子对在后续的操作中无法进行二次干涉，极大限制了这种纠缠源的应用。因此，如何实现无后选择的直出式纠缠源成为腔增强SPDC领域的一个长期挑战。

研究人员独辟蹊径，迎接挑战，经过近三年的刻苦攻关，研发了OAM简并腔增强SPDC技术，突破后选择限制，研制成功了直出式窄线宽纠缠源。以往腔增强SPDC无法直接输出纠缠光子的原因在于腔共振模式数目的限制，经过精确调控之后，可以实现偏振双共振，此时输出的光子对只有2个模式，经过偏振分束器之后，仅仅能获得空间分离的光子对，而非纠缠的。为直接输出纠缠光子，必须增加腔共振模式，然而单个谐振腔实现2个共振模式已颇具挑战，若要实现4个共振模式，其难度更大。研究人员另辟蹊径，聚焦于谐振腔的空间模式，将以往单一基模高斯模式拓展为简并的2个OAM模式。由于谐振腔内空间模式和偏振模式相互独立，因此可以同时保持2个偏振模式以及简并的两个OAM模式共振，这样就得到了满足制备直出纠缠源所需的4个模式。在实验中，研究人员利用Pound-Drever-Hall（PDH）锁腔技术，实现了拓扑荷为±1的OAM简并腔增强SPDC，获得了无后选择的直出式轨道角动量纠缠源，线宽为13.8 MHz，亮度为1400 s⁻¹，保真度为0.969。该无后选择的直出式纠缠源可以进行二次干涉，可用于在更多自由度上构建纠缠，进而制备偏振和OAM同时纠缠的窄线宽超纠缠源。

OAM简并腔增强SPDC为高品质窄线宽纠缠源的制备提供了一种具有实用价值的解决方案，进一步为长寿命量子存储的研究注入新动力。该研究发展的OAM简并腔技术也有望在光与物质腔增强相互作用研究中开发新应用。

以上成果以《Postselection-Free Cavity-Enhanced Narrow-Band Orbital Angular Momentum Entangled Photon Source》为题发表在Physical Review Letters上 [Phys. Rev. Lett. 134, 053801 (2025)]。南京大学物理学院博士生万佩、朱文正和娄严超为论文共同第一作者，南京大学物理学院王慧田教授、汪喜林教授和张涵副教授为共同通讯作者。上述研究工作得到了固体微结构物理国家重点实验室、南京微结构协同创新中心和合肥实验室的支持，得到了国家重点研发计划、江苏省自然科学基金、国家自然科学基金、江苏省“双创人才”和广东省重点领域研发计划项目等的资助。

南京大学物理学院王慧田、汪喜林研究组首次实现无后选择腔增强窄线宽轨道角动量纠缠源