《Nature》氮化硅微谐振器中实现高效下转换光子对：开启片上量子系统新征程

《Nature》：Down-converted photon pairs in a high-Q silicon nitride microresonator

　　

量子世界的新钥匙：氮化硅微谐振器中的下转换光子对

在量子技术飞速发展的时代，纠缠光子对就像一把把神奇的钥匙，打开了许多量子应用的大门，从量子通信到量子计算，从量子传感再到量子精密测量，它们都发挥着至关重要的作用。而自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion，SPDC）则是产生这些纠缠光子对的关键 “魔法”。

传统上，SPDC 通常在具有固有二阶非线性（x(2)）的非中心对称系统中进行。像铌酸锂、氮化铝等材料制成的片上波导，凭借其较强的二阶非线性，已经在集成光子学领域实现了量子光源的小型化。然而，这些材料也存在一些 “小烦恼”，比如它们的制备工艺相对复杂，成本较高，而且在与其他光子器件集成时也有一定的困难。

氮化硅（Si3?N4?）作为光子集成领域的 “明星材料”，却因为是无定形结构，天生缺乏固有的x(2)，这就像给它在光子量子器件领域的发展套上了一层枷锁，限制了它的 “大展拳脚”。但研究人员没有就此放弃，他们发现氮化硅具有极低的波导损耗，这对于集成量子电路来说是一个极其宝贵的特性。如果能想办法让氮化硅实现高效的 SPDC，那将为量子系统的片上集成带来巨大的突破。

在这样的背景下，来自加州理工学院（California Institute of Technology）、Anello Photonics、加州大学圣巴巴拉分校（University of California Santa Barbara）等机构的研究人员组成了一支 “科研先锋队”，决心攻克这个难题。他们开展了一项关于在高 Q 值氮化硅微谐振器中实现 SPDC 的研究，并取得了令人瞩目的成果。相关研究发表在《Nature》杂志上，为量子技术的发展注入了新的活力。

研究的 “秘密武器”：关键技术方法

研究人员为了实现目标，采用了一系列巧妙的技术方法。首先，他们利用高光学 Q 因子微腔中强大的光场增强效应，就像给微弱的信号加上了一个 “信号放大器”，让原本难以察觉的变化变得明显起来。同时，结合光诱导空间电荷场，成功在氮化硅中实现了有效的二阶非线性，从而开启了 SPDC 的 “大门”。

在实验过程中，他们通过精确控制微谐振器的温度，来调节泵浦光和子谐波共振的频率对齐，确保整个过程的顺利进行。为了验证下转换光子对的量子特性，研究人员进行了符合测量，这就像是给光子对的 “身份” 做了一个精准的 “鉴定”，确认它们是否真的具备量子纠缠的特性。

研究成果大揭秘

1. SPDC 过程的实现：研究人员让 780nm（近可见光）的泵浦光子进入高 Q 值的氮化硅微谐振器，与空间变化的x(2)相互作用，通过 SPDC 过程产生 1560nm（近红外）的光子对。这个过程就像是一场微观世界的 “奇妙舞蹈”，光子们在微谐振器这个 “舞台” 上相互协作，完成了从一种状态到另一种状态的神奇转变。而且，与传统的准相位匹配需要光刻定义电极不同，他们通过全光诱导过程（即全光极化）实现了准相位匹配，这种创新的方法不仅简化了操作流程，还为后续的集成应用提供了更多的可能性。

2. 光子对光谱特性：实验中使用的谐振器采用了二氧化硅包覆的氮化硅波导，其波导芯（宽 5μm，厚 0.1μm）为多模结构，这种结构有效地降低了损耗，提高了 Q 因子。研究人员通过调节芯片温度，可以控制下转换过程是简并还是非简并。简并下转换发生在近可见光模式频率恰好是近红外模式频率两倍的时候，就像两个 “小伙伴” 配合得恰到好处；而非简并下转换则是通过改变温度，让它们的频率产生 “小偏差” 来实现的。同时，研究人员还对 SPDC 光的光谱分布进行了精确测量，发现随着温度的变化，信号和闲频光子的光谱位置也会相应改变，而且实验数据与基于频率调谐和二阶色散测量的模型吻合得很好，这就像是找到了微观世界的 “规律密码”，让研究人员对光子的行为有了更深入的理解。

3. 量子特性的验证：为了验证下转换光子对的量子特性，研究人员进行了二阶关联g(2)测量。他们使用超导单光子探测器（SNSPDs）分别对简并和非简并的 SPDC 进行了研究。在简并情况下，通过一个 10GHz 带宽的光谱滤波器选择中心模式，让光子对 “排队” 通过 50/50 耦合器后再进行检测；在非简并情况下，则使用两个 10GHz 带宽的光谱滤波器分别选择信号和闲频光子。实验结果显示，g(2)(0)的值在 53 到 2530 之间变化，而且随着光子对生成率的增加，g(2)(0)的值会减小，这与理论预测的结果完全一致，就像是理论和实验之间的一场 “完美合唱”，进一步证明了这些光子对的量子纠缠特性。

4. 与其他过程的比较：研究人员还将 SPDC 与自发四波混频（SFWM）进行了对比。虽然 SFWM 在片上光子对产生方面也有出色的表现，但 SPDC 具有独特的优势。例如，在氮化硅系统中，光电流效应可以有效地将电信泵浦的二次谐波作为 SPDC 的泵浦光，这使得整个集成 SPDC 系统可以像 SFWM 一样，由单个电信半导体激光泵浦驱动。而且，SPDC 能够提供出色的泵浦和光子对隔离（倍频程跨度），这对于在芯片上实现高效的量子信息处理至关重要，就像是给量子信息的传递和处理提供了一个安全的 “保护罩”。

研究结论与意义：开启量子集成的新篇章

总的来说，这项研究成功在非中心对称材料氮化硅中实现了强大的 SPDC 过程，并通过实验验证了其量子特性。氮化硅作为超低损耗集成的主导光子材料，与其他光子器件（如 III - V 族半导体激光器）集成的能力，为构建更复杂的片上量子系统奠定了坚实的基础。

高 Q 因子使得下转换光子对具有集中的频率分布和光谱可分离性，这对于与原子和窄线宽固态系统的相互作用至关重要，为量子技术在实际应用中的发展提供了有力的支持。而且，将泵浦激光器（780nm）和近红外激光器（1560nm）与 SPDC 腔集成的能力，也为刷新空间电荷、确保系统的重复稳定工作提供了有效的方法。

这项研究成果就像是在量子集成的道路上点亮了一盏明灯，为未来量子系统的片上集成开辟了新的途径，有望推动量子通信、量子计算等领域的进一步发展，让我们离实现实用化的量子技术又近了一步。它不仅解决了氮化硅在光子量子器件应用中的关键问题，还为整个量子技术领域带来了新的思路和方法，激发更多科研人员在这个充满挑战和机遇的领域探索前行。