基于等离激元超表面与 ENZ 材料耦合实现偏振纠缠光子对的高效制备

为解决传统方法生成复杂偏振纠缠态受限的问题，未提及具体机构的研究人员开展利用等离激元超表面与 ENZ 材料耦合生成偏振纠缠光子对的研究，成功生成纠缠贝尔态，推动了纳米尺度量子态生成与操控的发展。

　　

研究背景

在现代量子技术的璀璨星空中，量子通信、计算、成像和传感等领域宛如熠熠生辉的星辰，而偏振纠缠光子对则是连接这些星辰的关键纽带。想象一下，在量子通信的世界里，信息如同隐形的信使，通过偏振纠缠光子对在遥远的距离间瞬间传递，其安全性和高效性令人惊叹；在量子计算的领域中，偏振纠缠光子对作为计算的基本单元，如同超级大脑中的神经元，能够快速处理复杂的问题，开启计算的新纪元。

然而，生成复杂的偏振纠缠态却面临着重重困境。传统方法中，无论是在块状晶体还是集成光子平台中，通过自发参量下转换（SPDC）或自发四波混频来产生纠缠光子对，都需要严格遵守苛刻的相位匹配条件。这就好比在精密的钟表制造中，每一个零件都必须精准无误地安装，稍有偏差就会导致整个钟表无法正常运转。为了满足这些条件，研究人员不得不进行复杂的双折射工程、对晶体进行周期性极化或精确调节温度，操作过程繁琐且成本高昂。

此外，介电非线性材料的非线性极化率张量是其固有属性，这就像一个固定形状的模具，限制了量子态工程的灵活性。以生成偏振纠缠光子对为例，研究人员要么精心操控非线性晶体，要么集成额外的分束装置或干涉仪，过程复杂且效果有限。因此，寻找一个更紧凑、更灵活的平台来生成和操控纠缠光子对，成为了量子领域亟待攻克的难题，这就如同在黑暗中寻找一盏明灯，为量子技术的进一步发展照亮道路。

研究概况

在这场量子领域的探索之旅中，未提及具体机构的研究人员挺身而出，勇敢地迎接挑战。他们将目光聚焦在等离激元超表面与 ε 近零材料（ENZ）的耦合上，开启了一场创新的研究征程。

研究人员通过精心设计，成功制备出一种 68 纳米厚的 ENZ 超表面，它由金（Au）裂环谐振器（SRRs）阵列和氧化铟锡（ITO）薄膜组成。在这个小小的超表面世界里，蕴含着巨大的能量。通过在泵浦波长处巧妙地构建共振，并充分利用 ENZ 效应带来的场增强，研究人员发现该超表面产生光子对的效率相较于未图案化的 ITO 薄膜有了显著提升，就像给光子对的生成安装了一个强力助推器。

更为重要的是，研究人员能够通过调控系统的各向异性二阶非线性极化率张量（χ⁽²⁾），自如地操控生成光子对的偏振态。这意味着他们可以像熟练的指挥家一样，精准地指挥光子的 “舞蹈”。最终，研究人员成功利用该 ENZ 超表面直接生成了偏振纠缠贝尔态，且测量得到的纠缠态保真度高达 0.91，这一成果标志着在纳米尺度上实现多功能偏振量子态的生成和操控迈出了重要的一步，如同在量子领域中树立了一座新的里程碑。该研究成果发表在《Science Advances》上。

研究方法

在这项研究中，研究人员采用了多种关键技术。在超表面制备方面，利用电子束光刻、电子束蒸发和剥离等技术，在 23 纳米厚的 ITO 薄膜上构建了金 SRRs 阵列，成功制备出 200×200μm2 的 ENZ 超表面。在光子对生成测量时，搭建了 Hanbury - Brown - Twiss（HBT）实验装置，使用波长 775nm 的连续波（CW）激光泵浦，通过一系列滤波和分光手段，结合超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）和时间 - 数字转换器（TDC）来检测和分析光子对。此外，为了确定生成光子对的偏振态，进行了量子态层析测量，利用宽带二向色镜、多组波片和偏振分束器来全面表征光子的偏振状态。

研究结果

1. ENZ 超表面设计与表征：研究人员选用商业可得的 23 纳米厚 ITO 薄膜，其介电常数实部在 1420nm 处趋近于零，呈现 ENZ 特性。通过仔细调整 SRRs 的几何参数，使其在 ITO 薄膜的 ENZ 波长附近产生磁偶极共振，同时在泵浦波长 775nm 处支持电偶极共振。模拟和测量结果表明，该设计实现了强耦合系统，在信号和闲频光波长（约 1550nm）附近产生共振，增强了非线性响应。从测量的偏振相关透射光谱来看，实验数据与模拟结果高度吻合，在泵浦和信号 / 闲频光波长处出现透射极小值。并且，模拟的电场振幅分布显示，由于强耦合效应，金 - ITO 界面处的电场振幅增强了两个数量级以上，为光子对的生成提供了有力支持。
2. 光子对生成测量：利用搭建的 HBT 实验装置，研究人员对 ENZ 超表面产生的光子对进行了深入研究。在测量得到的符合计数直方图中，零时间延迟处出现明显峰值，表明成功产生了纠缠光子对。计算得到的二阶相关函数 g⁽²⁾(τ) 显示，符合计数与偶然计数的比率（CAR）达到 40，远超经典极限 2，充分证实了光子对的非经典特性。测量得到的光子对发射率经泵浦功率归一化后为 5.4×10?3Hz/mW，并且在 134nm 的范围内，光子对的生成速率基本保持恒定，其发射带宽比非线性块状晶体更宽，这得益于超表面不受相位匹配条件的限制。此外，研究人员还发现符合计数与泵浦功率呈线性关系，g⁽²⁾(0) 与泵浦功率成反比，这与 SPDC 过程的特性相符，同时未在裸 ITO 薄膜上检测到符合计数峰值，进一步证明了 ENZ 超表面对光子对生成的增强作用。
3. ENZ 超表面的工程各向异性 χ⁽²⁾张量：具有结构对称性破缺的 SRR 为调控 ENZ 超表面的各向异性二阶非线性极化率张量 χ⁽²⁾提供了可能。研究人员通过分析二次谐波产生（SHG）过程来研究 ENZ 超表面的二阶非线性响应。当用 x 偏振光激发 SRR 时，磁偶极共振会在 SRR 周围诱导连续的非线性电流，从而产生沿其两个臂的相干二阶非线性极化，实现正交偏振的 1 型 SHG；而当用 y 偏振光激发时，SRR 两个臂诱导的非线性极化在远场相互抵消，无法产生二次谐波。基于此，研究人员推断出有效 χ⁽²⁾张量的各元素情况，并通过实验测量 SHG 强度随泵浦和检测偏振角的变化，验证了理论预测。由于 SPDC 与 SHG 过程存在量子 - 经典对应关系，研究人员进一步利用有效 χ⁽²⁾张量预测了 SPDC 过程的偏振响应。实验结果表明，当用 y 偏振光泵浦时，信号和闲频光子均为 x 偏振；当用 x 偏振光泵浦时，会产生正交线性偏振的信号和闲频光子，形成最大纠缠的量子态，即贝尔态。
4. 偏振纠缠贝尔态生成测量：为了全面确定生成光子对的偏振态，并确认在 x 偏振泵浦下生成了偏振纠缠贝尔态，研究人员进行了量子态层析测量。通过精心设计的实验装置，选择 16 组基本偏振态进行测量，成功重建了光子对量子态的密度矩阵。将重建的密度矩阵与理论贝尔态密度矩阵进行对比，计算得到的保真度为 0.91，这一结果有力地证明了生成的光子对具有高度的纠缠特性，为量子技术的实际应用提供了坚实的基础。

研究结论与意义

这项研究成功实现了基于等离激元超表面与 ENZ 材料耦合的偏振纠缠光子对的高效制备，为量子技术的发展注入了新的活力。通过巧妙的设计和精确的调控，研究人员不仅提高了光子对的生成效率，还实现了对光子对偏振态的灵活操控，成功生成了高保真度的偏振纠缠贝尔态。

该研究成果具有多方面的重要意义。在基础研究领域，它加深了人们对非线性光学和量子态调控的理解，为量子光学的发展提供了新的理论和实验依据。在实际应用方面，这种紧凑、高效的纠缠光子对源有望推动量子通信、量子计算和量子传感等技术的发展，例如在量子密钥分发中提高通信的安全性和效率，在量子计算中为量子比特的制备和操控提供新的方法。

此外，研究人员还展望了未来的研究方向。可以利用更高品质因子的共振，如准束缚态在连续谱共振或表面晶格共振，进一步增强场强；将超表面与谐振腔集成，增加泵浦光与超表面的相互作用次数，提高光子对生成效率；将 ENZ 超表面与紧凑激光源集成，实现系统的进一步小型化；通过电调谐或超快全光调制控制 ENZ 超表面的非线性，生成时空可编程的偏振纠缠光子对；通过调控单元胞的取向和几何参数，控制信号和闲频光子之间的相位差，实现超纠缠态的生成。这些研究方向将为量子技术的未来发展开辟更广阔的前景，让我们对量子世界的探索迈向更高的台阶。