M a l a b       I n t r o d u c t i o n W e l c o m e t o t h e w e b s i t e o f M a L a b i n t h e S c h o o l o f P h y s i c s a t N a n j i n g U n i v e r s i t y ! O u r g r o u p f o c u s e s o n t h e e x p e r i m e n t a l q u a n t u m i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g a n d f u n d a m e n t a l a s p e c t s o f q u a n t u m p h y s i c s v i a a d v a n c e d q u a n t u m p h o t o n i c t e c h n i q u e s . M a n y g r o u n d b r e a k i n g e x p e r i m e n t s i n t h e f o u n d a t i o n s o f q u a n t u m p h y s i c s h a v e b e e n r e a l i z e d w i t h p h o t o n i c s y s t e m s . T h e s e e x p e r i m e n t s t r i g g e r e d a c o m p l e t e l y n e w f i e l d — q u a n t u m t e c h n o l o g y — w h i c h h a s a n d w i l l c o n t i n u e t o m a k e t h e b i g i m p a c t o n s o c i e t y . Q u a n t u m t e c h n o l o g y h a r n e s s e s t h e ‘ s p o o k y ’ p h e n o m e n a o f q u a n t u m p h y s i c s s u c h a s s u p e r p o s i t i o n , r a n d o m n e s s a n d e n t a n g l e m e n t t o p r o c e s s i n f o r m a t i o n i n a n o v e l w a y . Q u a n t u m p h o t o n i c s p r o v i d e s a p r o m i s i n g p a t h f o r b o t h d e l i v e r i n g q u a n t u m e n h a n c e d t e c h n o l o g i e s a n d e x p l o r i n g f u n d a m e n t a l p h y s i c s . T h e s p e c t r u m o f o u r r e s e a r c h c o v e r s e x p e r i m e n t a l q u a n t u m c o m m u n i c a t i o n , s i m u l a t i o n a n d t h e f o u n d a t i o n s o f q u a n t u m p h y s i c s . O u r g r o u p h a s b e e n e s t a b l i s h e d i n S e p t e m b e r 2 0 1 5 a n d w e a r e l o o k i n g f o r m o t i v a t e d s t u d e n t s , p o s t d o c s a n d r e s e a r c h e r s t o j o i n u s .   P l e a s e f e e l f r e e t o c o n t a c t m e i f y o u a r e i n t e r e s t e d i n o u r w o r k .     L a t e s t N e w s f r e q u e n c y d e g r e e o f f r e e d o m i s p r o m i s i n g t o r e a l i z e l a r g e s c a l e q u a n t u m i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n g . C h i L u e t a l . u t i l i z e p o l a r i z a t i o n e n t a n g l e d Q F C s t o g e n e r a t e d i s c r e t e f r e q u e n c y b i n e n t a n g l e d s t a t e s . F o u r t e e n p a i r s o f p o l a r i z a t i o n e n t a n g l e d p h o t o n s w i t h d i f f e r e n t f r e q u e n c i e s a r e s i m u l t a n e o u s l y t r a n s f o r m e d i n t o f r e q u e n c y b i n e n t a n g l e d s t a t e s . S e e   A d v a n c e d Q u a n t u m T e c h n o l o g i e s 8 , 2 4 0 0 2 2 9   f o r d e t a i l s .     [ 2 0 2 4 1 1 0 6 ] O b s e r v a t i o n o f q u a n t u m n o n l o c a l i t y i n G r e e n b e r g e r H o r n e Z e i l i n g e r e n t a n g l e m e n t o n a s i l i c o n c h i p E n t a n g l e d s t a t e s w i t h m u l t i p l e p a r t i c l e s a r e o f c r u c i a l i m p o r t a n c e i n f u n d a m e n t a l t e s t s o f q u a n t u m p h y s i c s a s w e l l a s i n m a n y q u a n t u m i n f o r m a t i o n t a s k s . O n e o f t h e a r c h e t y p a l m u l t i p a r t i t e q u a n t u m s t a t e s , G r e e n b e r g e r H o r n e Z e i l i n g e r ( G H Z ) s t a t e , a l l o w s o n e t o o b s e r v e t h e s t r i k i n g c o n f l i c t o f q u a n t u m p h y s i c s t o l o c a l r e a l i s m i n t h e s o c a l l e d a l l v e r s u s n o t h i n g w a y . L e i z h e n a n d B o c h i e t a l . d e m o n s t r a t e a n i n t e g r a t e d p h o t o n i c c h i p c a p a b l e o f g e n e r a t i n g a n d m a n i p u l a t i n g t h e f o u r p h o t o n G H Z s t a t e . O u r w o r k p a v e s t h e w a y t o p e r f o r m f u n d a m e n t a l t e s t s o f q u a n t u m p h y s i c s w i t h c o m p l e x i n t e g r a t e d q u a n t u m d e v i c e s . S e e   O p t . E x p r e s s 3 2 , 1 4 9 0 4 1 4 9 1 3 f o r d e t i a l s .     [ 2 0 2 4 0 4 2 4 ] P o l a r i z a t i o n e n t a n g l e d q u a n t u m f r e q u e n c y c o m b f r o m a s i l i c o n n i t r i d e m i c r o r i n g r e s o n a t o r I n t e g r a t e d m i c r o r e s o n a t o r f a c i l i t a t e s t h e r e a l i z a t i o n o f q u a n t u m f r e q u e n c y c o m b ( Q F C ) , w h i c h p r o v i d e s a l a r g e n u m b e r o f d i s c r e t e f r e q u e n c y m o d e s w i t h b r o a d b a n d s p e c t r a l r a n g e a n d n a r r o w l i n e w i d t h . W e n j u n a n d t h e t e a m d e m o n s t r a t e a b r o a d b a n d p o l a r i z a t i o n e n t a n g l e d q u a n t u m f r e q u e n c y c o m b b y c o m b i n i n g a n i n t e g r a t e d s i l i c o n n i t r i d e m i c r o r e s o n a t o r w i t h a S a g n a c i n t e r f e r o m e t e r . O u r s o u r c e p r o v i d e s 2 2 p o l a r i z a t i o n e n t a n g l e d p h o t o n p a i r s w i t h f r e q u e n c y c o v e r i n g t h e w h o l e t e l e c o m C b a n d . T h e e n t a n g l e m e n t f i d e l i t i e s f o r a l l 2 2 p a i r s a r e a b o v e 8 1 % , i n c l u d i n g 1 7 p a i r s w i t h f i d e l i t i e s h i g h e r t h a n 9 0 % . S e e   P h y s . R e v . A p p l i e d 2 0 , 0 6 4 0 3 2 f o r d e t a i l s .     [ 2 0 2 3 1 2 2 0 ] Q u a n t u m s t o r a g e o f e n t a n g l e d p h o t o n s a t t e l e c o m w a v e l e n g t h s i n a c r y s t a l Q u a n t u m s t o r a g e a n d d i s t r i b u t i o n o f e n t a n g l e m e n t a r e t h e k e y i n g r e d i e n t s f o r r e a l i z i n g a g l o b a l q u a n t u m i n t e r n e t . C o m p a t i b l e w i t h e x i s t i n g f i b e r n e t w o r k s , t e l e c o m w a v e l e n g t h e n t a n g l e d p h o t o n s a n d c o r r e s p o n d i n g q u a n t u m m e m o r i e s a r e o f c e n t r a l i n t e r e s t . C o m b i n i n g t h e n a t u r a l n a r r o w l i n e w i d t h o f t h e e n t a n g l e d p h o t o n s   g e n e r a t e d f r o m a n i n t e g r a t e d p h o t o n i c c h i p a n d l o n g s t o r a g e t i m e o f   1 6 7 E r 3 +   i o n s ,   M i n g h a o , W e n y i a n d   c o l l e a g u e s   a c h i e v e a q u a n t u m s t o r a g e t i m e o f 1 . 9 3 6   μ s , m o r e t h a n 3 8 7 t i m e s l o n g e r t h a n i n p r e v i o u s w o r k s . S u c c e s s f u l s t o r a g e o f e n t a n g l e m e n t i n t h e c r y s t a l i s c e r t i f i e d u s i n g e n t a n g l e m e n t w i t n e s s m e a s u r e m e n t s .   S e e N a t C o m m u n 1 4 , 6 9 9 5 f o r d e t a i l s .     [ 2 0 2 3 1 1 0 1 ] O n C h i p G e n e r a t i o n a n d C o l l e c t i v e l y C o h e r e n t C o n t r o l o f t h e S u p e r p o s i t i o n o f t h e W h o l e F a m i l y o f D i c k e S t a t e s D i c k e s t a t e i s a n i m p o r t a n t c l a s s o f g e n u i n e l y e n t a n g l e d s t a t e , w h i c h h a s b e e n s y s t e m a t i c a l l y s t u d i e d i n t h e l i g h t m a t t e r i n t e r a c t i o n s , q u a n t u m s t a t e e n g i n e e r i n g , a n d q u a n t u m m e t r o l o g y .   B y u s i n g a s i l i c o n p h o t o n i c c h i p , L e i z h e n e t a l . r e p o r t t h e g e n e r a t i o n a n d c o l l e c t i v e l y c o h e r e n t c o n t r o l o f t h e e n t i r e f a m i l y o f f o u r p h o t o n D i c k e s t a t e s , i . e . , w i t h a r b i t r a r y e x c i t a t i o n s . W e g e n e r a t e f o u r e n t a n g l e d p h o t o n s f r o m t w o m i c r o r e s o n a t o r s a n d c o h e r e n t l y c o n t r o l t h e m i n a l i n e a r o p t i c q u a n t u m c i r c u i t , i n w h i c h t h e n o n l i n e a r a n d l i n e a r p r o c e s s i n g a r e a c h i e v e d i n a c h i p s c a l e d e v i c e . S e e P h y s . R e v . L e t t . 1 3 0 , 2 2 3 6 0 1 f o r d e t a i l s .     [ 2 0 2 3 0 6 0 1 ] M u l t i p h o t o n n o n l o c a l q u a n t u m i n t e r f e r e n c e c o n t r o l l e d b y a n u n d e t e c t e d p h o t o n C o l l a b o r a t i n g w i t h t h e g r o u p o f   M a r i o K r e n n ,   K a i y i , K a i W a n g   e t a l . c o n t r o l t h e n o n l o c a l m u l t i p a r t i t e q u a n t u m i n t e r f e r e n c e w i t h a p h o t o n t h a t w e n e v e r d e t e c t , w h i c h d o e s n o t r e q u i r e q u a n t u m e n t a n g l e m e n t , t h o u g h e n t a n g l e m e n t i s t y p i c a l l y c o n s i d e r e d t o b e e s s e n t i a l f o r c r e a t i n g n o n l o c a l q u a n t u m i n t e r f e r e n c e .   W e h a r n e s s t h e s u p e r p o s i t i o n o f t h e p h y s i c a l o r i g i n o f a f o u r p h o t o n p r o d u c t s t a t e , w h i c h l e a d s t o c o n s t r u c t i v e a n d d e s t r u c t i v e i n t e r f e r e n c e w i t h t h e p h o t o n s ’ m e r e e x i s t e n c e . W i t h t h e i n t r i n s i c i n d i s t i n g u i s h a b i l i t y i n t h e g e n e r a t i o n p r o c e s s o f p h o t o n s , w e r e a l i z e f o u r p h o t o n f r u s t r a t e d q u a n t u m i n t e r f e r e n c e . S e e N a t C o m m u n 1 4 , 1 4 8 0 f o r d e t a i l s .     [ 2 0 2 3 0 3 1 7 ] I n t e r a c t i o n f r e e , s i n g l e p i x e l q u a n t u m i m a g i n g w i t h u n d e t e c t e d p h o t o n s R e c e n t l y , Y i q u a n e t a l . p r o p o s e a n d e x p e r i m e n t a l l y d e m o n s t r a t e i n t e r a c t i o n f r e e , s i n g l e p i x e l q u a n t u m i m a g i n g o f a s t r u c t u r e d o b j e c t w i t h u n d e t e c t e d p h o t o n s b y e m b e d d i n g a s i n g l e p h o t o n M i c h e l s o n i n t e r f e r o m e t e r i n t o a n o n l i n e a r i n t e r f e r o m e t e r b a s e d o n i n d u c e d c o h e r e n c e a n d h a r n e s s i n g s i n g l e p i x e l i m a g i n g t e c h n i q u e . W e p u s h t h e c a p a b i l i t y o f q u a n t u m i m a g i n g t o t h e e x t r e m e p o i n t i n w h i c h n o i n t e r a c t i o n i s r e q u i r e d b e t w e e n o b j e c t a n d p h o t o n s a n d t h e d e t e c t i o n r e q u i r e m e n t i s g r e a t l y r e d u c e d . O u r w o r k p a v e s t h e p a t h f o r a p p l i c a t i o n s i n c h a r a c t e r i z i n g d e l i c a t e s a m p l e s w i t h s i n g l e p i x e l i m a g i n g a t s i l i c o n d e t e c t a b l e w a v e l e n g t h s . S e e   n p j Q u a n t u m I n f 9 , 2 f o r d e t a i l s .     [ 2 0 2 3 0 1 0 6 ] C o n t r o l l i n g w a v e p a r t i c l e d u a l i t y w i t h e n t a n g l e m e n t b e t w e e n s i n g l e p h o t o n a n d B e l l s t a t e s W a v e p a r t i c l e d u a l i t y a n d e n t a n g l e m e n t a r e t w o f u n d a m e n t a l c h a r a c t e r i s t i c s o f q u a n t u m m e c h a n i c s . A l l p r e v i o u s w o r k s o n e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n s i n w a v e p a r t i c l e p r o p e r t i e s o f s i n g l e p h o t o n s ( o r s i n g l e p a r t i c l e s i n g e n e r a l ) s h o w e d t h a t a w e l l d e f i n e d i n t e r f e r o m e t e r s e t t i n g d e t e r m i n e s a w e l l d e f i n e d p r o p e r t y o f s i n g l e p h o t o n s .   K a i W a n g w i t h o u r   c o l l a b o r a t o r t a k e a c o n c e p t u a l s t e p f o r w a r d a n d c o n t r o l t h e w a v e p a r t i c l e p r o p e r t y o f s i n g l e p h o t o n s w i t h a B e l l s t a t e . W e e x p e r i m e n t a l l y t e s t t h e c o m p l e m e n t a r i t y p r i n c i p l e i n a s c e n a r i o i n w h i c h t h e s e t t i n g o f t h e i n t e r f e r o m e t e r i s n o t d e f i n e d a t a n y i n s t a n c e o f t h e e x p e r i m e n t , n o t e v e n i n p r i n c i p l e .   S e e   P h y s . R e v . A 1 0 6 , 0 5 3 7 1 5 f o r d e t a i l s .     [ 2 0 2 2 1 1 3 0 ] M i n i m u m d e t e c t i o n e f f i c i e n c y f o r t e s t i n g a m u l t i p a r t i c l e B e l l i n e q u a l i t y W e n c h a o e t a l . g e n e r a l i z e t w o p a r t i c l e E b e r h a r d s i n e q u a l i t y t o t h e n p a r t i c l e s y s t e m s a n d d e r i v e a B e l l t y p e i n e q u a l i t y f o r m u l t i p a r t i c l e s y s t e m s , w h i c h s i g n i f i c a n t l y r e l a x e s t h e t h r e s h o l d o f   s a m p l i n g e f f i c i e n c y ( i n c l u d i n g t h e c o l l e c t i o n a n d d e t e c t i o n e f f i c i e n c i e s )   f o r t h e p h o t o n i c s y s t e m .   F u r t h e r m o r e , a n e x p e r i m e n t a l p r o p o s a l t o a c h i e v e a m u l t i p a r t i t e B e l l t e s t w i t h o u t t h e f a i r s a m p l i n g a s s u m p t i o n i s p r e s e n t e d f o r t h e c a s e o f t h r e e p a r t i c l e s .   F o r a n y g i v e n v a l u e o f t h e s a m p l i n g e f f i c i e n c y , w e g i v e t h e o p t i m a l c o n f i g u r a t i o n s f o r a c t u a l i m p l e m e n t a t i o n , t h e o p t i m a l s t a t e , t h e m a x i m u m b a c k g r o u n d n o i s e t h a t t h e s y s t e m c a n t o l e r a t e , a n d t h e l o w e s t f i d e l i t y o f t h e q u a n t u m s t a t e . S e e N e w J . P h y s . 2 4 1 1 3 0 3 1   f o r d e t a i l s .     [ 2 0 2 2 1 1 1 8 ]   N a n j i n g U n i v e r s i t y   |   S c h o o l o f P h y s i c s   |   N L S S M     N a n j i n g , J i a n g s u P r o v i n c e , C h i n a     中 文 版 C o p y r i g h t © 2 0 2 5 M a l a b . A l l R i g h t s R e s e r v e d

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