在中国科学技术大学郭光灿院士领导的研究团队中，邹长铃与李明研究员的项目组成功地提出了一套用于人工合成光学非线性现象的一般化策略，并在集成式光子芯片微腔中实验验证了高效率的合成五波混频过程。这一创新成果，题为“在可见至电信号转换领域生成纠缠光源的集成微腔中的人工合成五波混频”，于2023年10月20日在线发表在国际权威学术期刊《自然·通讯》上。通过这项研究，团队展示了其在跨波段量子纠缠光源中的潜在应用价值，为该领域的技术发展开辟了新的方向。
自激光技术诞生以来，在光学成像、传感、频率转换及精密光谱分析等领域中，非线性光学效应获得了广泛的应用与深入研究。在新兴的量子信息处理领域内，这一效应不仅被用作实现量子纠缠光源及构建量子逻辑门操作的基础组件，而且还是推动量子计算和量子通信发展的关键技术之一。
然而，由于材料固有的非线性极化率随阶数呈指数级衰减的属性限制了光学非线性的应用范围，目前的研究主要集中在二阶和三阶过程上。这些较低阶的过程在传统非线性与光量子器件中扮演着核心角色，但同时也制约了诸如可扩展型量子光源等高级功能的实现。
这一局限性不仅影响着现有技术性能的提升，也激发科学家们对高阶非线性的深入探索。高阶非线性过程蕴含着潜在的新颖物理现象和应用潜力，包括但不限于新型光谱效应、复杂多光子相互作用以及可能催生出的量子信息处理新方法。通过对这些更高阶非线性的研究与开发，未来有望为光学非线性技术开辟新的应用场景，并推动其在量子计算、量子通信及精密测量等前沿领域中的应用发展。
邹长铃研究组在集成光学与非线性光学领域内取得了突破性的进展，他们专注于微纳光学结构与微腔增强下的非线性光子学研究，已成功验证了多种协同非线性过程的效应并揭示了其在量子器件中的应用。通过不懈努力和创新，该团队开辟了室温下处理少光子乃至单光子级量子器件的新途径，并将非线性相互作用强度随阶次变化的速度提升了10个数量级，从10^-10提升至10^-5量级。然而，尽管取得了显著成就，在集成光子芯片上实现高效率、阶次大于三的非线性效应依然面临巨大挑战和未解之谜。
在这一研究前沿，邹长铃及其团队致力于深入探索并解决这些问题，旨在推动非线性光学领域的发展，为未来量子信息技术和光子学应用奠定坚实基础。他们通过持续的科学研究与技术创新，不断拓宽了人类对于非线性光子相互作用的理解，并努力克服实验中的难点，以期实现对高阶次非线性效应的更高效观测与利用。
面对这一挑战，李明及其团队独辟蹊径，引入了一种创新性的非线性合成理论——借助于材料固有的二阶、三阶等较低次级效应，通过人工构建一个由多个低阶子过程串联组成的非线性光学网络，以此来实现任意光子组合形式与任一阶次的非线性相互作用。此策略巧妙地绕过了在原子级别上调适材料非线性响应的传统路径，仅需通过对微纳器件几何结构的设计，便能高效且灵活地实现高阶的非线性过程。
作为专业团队，在实验中成功地并行操控了二阶和频现象与三阶四波混频过程，进而合成了一种高度进化的四阶非线性反应。实验结果验证显示，合成的非线性效应显著超越了材料本身的固有四阶特性，其增强程度高达500倍以上；而若进一步优化微腔的质量因子，这一增强幅度则有望拓展至惊人的1000万倍之上。
图1.人工合成非线性五波混频示意图
该团队巧妙地采用了一种高度进阶的四阶非线性技术，此技术旨在生成跨越可见光与通信波段的量子纠缠光源。通过细致测量波段间光子的时间-能量纠缠现象，验证了合成过程中的高相干性能。相比传统方法，此项创新大大简化了相位匹配所需的复杂度，并仅需依赖单一泵浦激光于通信波段的配置下操作。这一壮举不仅突显出人工合成非线性效应的独特优势，同时也揭示了其在技术应用层面的巨大潜力与前景。审稿人一致赞赏此研究的开创性贡献，认为其成果应被全球科学界广泛认可，并建议将其发表在《自然通讯》杂志上以彰显其卓越的创新价值。
中国科学院量子信息重点实验室中，博士研究生王家齐与杨元昊共同荣任论文的第一作者席位，李明副研究员及邹长铃教授则担任通讯作者的角色。此项研究工作得到了国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金委员会的资助、安徽省自然科学基金的支持以及中央高校的基本科研业务经费的助力。
