前沿:Science | 超表面量子光源- 大数跨境

两江科技评论

2022-10-13

导读：砷化镓量子光学超表面创建高质量因子多频纠缠光子对

撰稿 | Lance（华中科技大学博士生）

量子态工程是量子光子技术的基石。目前，量子态的产生和操纵主要依赖于非线性晶体和波导中的非线性光学效应，如自发参量下转换（Spontaneous parametric downconversion, SPDC）或自发四波混频（Spontaneous four-wave mixing, SFWM），通过一个或两个泵浦光子自发衰变成一个光子对。

然而，传统非线性晶体和波导中的SPDC和SFWM都要求所涉及光子的严格动量守恒，这严重限制了它们产生的量子态的通用性。

量子光学超表面（Quantum optical metasurfaces, QOM）的出现有助于克服这一限制。超表面（Metasurface）是由专门设计的亚波长尺寸介电单元结构阵列组成的超薄平面光学器件。根据不确定性原理，空间限制导致动量不确定，超表面因其具有亚波长的厚度，光子的动量守恒条件被放松。通过逐点设计超表面的电磁响应，可以使用单个超薄器件操纵和控制非线性和量子区域中的光的振幅、相位和偏振。这使得多个非线性和量子过程可以用可比拟的效率发生，并为使用许多传统光学元件无法工作的新材料打开了大门。（拓展阅读：《Science | 超表面的“光旋钮”》）

图1：泵浦光子通过共振超表面产生不同波长的纠缠光子对

图源：Sylvain Gennaro 和 Florian Sterl

近期，来自德国马克斯普朗克光学研究所、埃尔朗根-纽伦堡大学和美国桑迪亚国家实验室的研究人员合作设计并制作了可以作为量子光源的超表面。他们利用砷化镓（GaAs）超表面的自发参量下转换产生了多个不同频率的高质量因子纠缠光子对，并进一步实现了复杂图形量子态的创建。

相关研究论文以“Resonant metasurfaces for generating complex quantum states”为题发表在Science。

研究人员在文中展示了利用GaAs量子阱中具有高品质因子和准连续体束缚态的共振，驱动的自发参量下转换产生可调谐光子对的实验。量子光学超表面发射的频率简并和非简并窄带光子对，可通过改变光泵或共振的光谱位置在100 nm以上调谐，且不会造成明显的效率损失。此外，通过选择共振和泵浦波长，可以同时驱动多个自发参量下转换过程，从而获得频率复用的纠缠光子并实现多通道。

可调谐窄带光子对

在自发参量下转换过程中，较高频率的泵浦光子在二阶非线性材料中遵循能量守恒定律，下变频为一对较低频率的信号光子和闲频光子。与体晶体不同，亚波长源中的自发参量下转换不需要纵向动量守恒，从而可以实现光子对在宽角度范围内的宽带发射。在光学纳米天线和超表面中，共振选择了光子发射增强的波长和波矢量范围。因此，通过设计光学模式和共振，超表面可用于产生可调谐和单向纠缠光子，如图2所示。

图2：量子光学超表面产生的自发参量下转换光谱图

图源：Science 377, 991–995 (2022) , Fig.2

半导体共振超表面

研究人员利用电子束光刻和干法刻蚀，在不同周期和比例的正方形晶格中制作了各种非对称谐振器阵列。随后通过环氧树脂粘合和固化、基板研磨和抛光、湿蚀刻等多个制造步骤，最终将超表面转移到透明熔融石英基板上。GaAs是传统材料中具有最高的二阶极化率的材料之一，适用于该工作所涉及的泵浦波长范围，并且GaAs的磁化率超过了铁电非线性材料（如铌酸锂）的一个数量级以上。超表面的结构如图3所示。

图3：砷化镓共振超表面的扫描电子显微镜图

图源：Sylvain Gennaro

集群光子态

除纠缠态以外，窄光学共振的存在使得创建更复杂的图形量子态成为可能。通过添加不同波长的多个相干泵浦光束，即使用频率梳或滤波超连续谱作为激发源，适当匹配梳状物的波长间隔和量子光学超表面的光学共振，可以通过成对耦合使多个波长的光子纠缠。使用这种方法，可以实现单向量子计算所需的可伸缩集群状态，如图4A所示。这种通过量子光学超表面实现的量子态工程方法，具有松弛的相位匹配和工程化的高品质因子共振，这对于体晶体或波导自发参量下转换源几乎是不可能的。此外，量子光学超表面还提供了一种独特的工作方式，通过激发不同波长的共振并将多个光子对缠绕在单个多频泵浦束的不同波长上，在单个或多个泵浦束的区域内空间复用多个超表面，如图4C所示。