特別說明：本文由學(xué)研匯技術(shù)中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關(guān)科研知識。因?qū)W識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（學(xué)研匯 技術(shù)中心）
編輯丨風(fēng)云
量子態(tài)工程是量子光子技術(shù)的基石，主要依靠自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換和四波混頻，其中一個或兩個泵浦光子自發(fā)衰變?yōu)楣庾訉Α＿@兩種非線性效應(yīng)都需要參與光子的動量守恒，這極大地限制了所得量子態(tài)的多功能性。非線性超表面具有亞波長厚度，有助于打破此約束，當(dāng)其與共振結(jié)合時，它們極大地擴展了量子態(tài)工程的可能性。
有鑒于此，德國馬普研究所Maria V. Chekhova等人通過連續(xù)共振中具有高品質(zhì)因子、準(zhǔn)束縛態(tài)的半導(dǎo)體超表面中的自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生糾纏光子。通過增強量子真空場，超表面在多個窄共振帶和寬光譜范圍內(nèi)增強了非簡并糾纏光子的發(fā)射。同一樣品中的單個共振或多個共振，在多個波長下泵浦，可以產(chǎn)生包括團簇態(tài)在內(nèi)的多頻量子態(tài)。這些特征揭示了超表面作為量子信息復(fù)雜狀態(tài)的通用來源。
（1）超表面產(chǎn)生可調(diào)諧和單向糾纏光子
作者報告了由砷化鎵(GaAs)QOM中的高Q準(zhǔn)BIC共振驅(qū)動的SPDC實驗生成可調(diào)諧光子對的情況。QOM通過改變光泵或共振的光譜位置發(fā)射頻率退化和非退化窄帶光子對，可在超過100 nm范圍內(nèi)進行調(diào)諧，且不會造成明顯的效率損失。此外，通過選擇共振和泵浦波長，可以根據(jù)需要同時驅(qū)動盡可能多的SPDC過程，獲得頻率復(fù)用的糾纏光子并實現(xiàn)多通道預(yù)兆。通過標(biāo)準(zhǔn)電子束光刻和氯基干法蝕刻制造了各種不對稱諧振器陣列，演示了具有準(zhǔn)BIC的SPDC。作者證實并揭示了對稱保護BIC的存在機制，通過調(diào)整陣列的周期和諧振器的比例，實現(xiàn)了很寬的范圍內(nèi)準(zhǔn)BIC諧振中心波長的調(diào)整。
作者通過研究具有不同的諧振器尺寸和間距的SPDC，演示了多路糾纏光子的產(chǎn)生。所有超表面都用不同波長的線偏振連續(xù)波激光器泵浦，聚焦成140毫米的光斑。作者記錄了大量的同時光子檢測，這表明存在光子對。對具有3 nm分辨率的光子對進行了光纖輔助光譜分析，使用不同的泵浦和不同的QOM來演示各種類型的光子對生成。作者證實了光學(xué)共振的存在增強了共振帶寬內(nèi)的量子真空場，窄帶、頻率非簡并光子對可以從超表面的納米結(jié)構(gòu)光子器件產(chǎn)生，諧振的Q因子僅提供SPDC增強的上限。此外，作者還發(fā)現(xiàn)QOM可以在寬光譜范圍內(nèi)產(chǎn)生簡并和非簡并光子對，而不會顯著降低效率。由于高Q共振，效率至少比相同厚度的GaAs薄膜高三個數(shù)量級。
圖 本工作中考慮的QOM的SPDC光譜
通過測量二階互相關(guān)函數(shù)(CF)在零時延下的泵浦功率依賴性，證實了大于50個標(biāo)準(zhǔn)差違法了CS不等式，揭示了光子對的非經(jīng)典性特征。
除了糾纏態(tài)之外，窄光學(xué)共振的存在可以實現(xiàn)更復(fù)雜圖形量子態(tài)的創(chuàng)建。本工作通過泵浦光束耦合共振實現(xiàn)了光子集群狀態(tài)的生成。通過添加多個不同波長的相干泵浦光束，狀態(tài)變得越來越復(fù)雜。通過適當(dāng)?shù)仄ヅ洳ㄩL分離和QOM的光學(xué)共振，多個波長的光子可以通過成對耦合進行糾纏。使用這種方法，可以實現(xiàn)單向量子計算的可擴展集群狀態(tài)。此外，QOM提供了一種獨特的方法，通過激發(fā)不同波長的共振并用單個多頻泵浦光束在不同波長上糾纏多個光子對，在單個泵浦光束區(qū)域內(nèi)空間復(fù)用多個超表面。
參考文獻：
TOMáS SANTIAGO-CRUZ, et al. Resonant metasurfaces for generating complex quantum states. Science,2022,377(6609): 991-995
DOI: 10.1126/science.abq8684
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq8684
