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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

量子态工程是量子光子技术的基石，主要依靠自发参量下转换和四波混频，其中一个或两个泵浦光子自发衰变为光子对。这两种非线性效应都需要参与光子的动量守恒，这极大地限制了所得量子态的多功能性。非线性超表面具有亚波长厚度，有助于打破此约束，当其与共振结合时，它们极大地扩展了量子态工程的可能性。

有鉴于此，德国马普研究所Maria V. Chekhova等人通过连续共振中具有高品质因子、准束缚态的半导体超表面中的自发参量下转换产生纠缠光子。通过增强量子真空场，超表面在多个窄共振带和宽光谱范围内增强了非简并纠缠光子的发射。同一样品中的单个共振或多个共振，在多个波长下泵浦，可以产生包括团簇态在内的多频量子态。这些特征揭示了超表面作为量子信息复杂状态的通用来源。

（1）超表面产生可调谐和单向纠缠光子

作者报告了由砷化镓(GaAs)QOM中的高Q准BIC共振驱动的SPDC实验生成可调谐光子对的情况。QOM通过改变光泵或共振的光谱位置发射频率退化和非退化窄带光子对，可在超过100 nm范围内进行调谐，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，可以根据需要同时驱动尽可能多的SPDC过程，获得频率复用的纠缠光子并实现多通道预兆。通过标准电子束光刻和氯基干法蚀刻制造了各种不对称谐振器阵列，演示了具有准BIC的SPDC。作者证实并揭示了对称保护BIC的存在机制，通过调整阵列的周期和谐振器的比例，实现了很宽的范围内准BIC谐振中心波长的调整。

作者通过研究具有不同的谐振器尺寸和间距的SPDC，演示了多路纠缠光子的产生。所有超表面都用不同波长的线偏振连续波激光器泵浦，聚焦成140毫米的光斑。作者记录了大量的同时光子检测，这表明存在光子对。对具有3 nm分辨率的光子对进行了光纤辅助光谱分析，使用不同的泵浦和不同的QOM来演示各种类型的光子对生成。作者证实了光学共振的存在增强了共振带宽内的量子真空场，窄带、频率非简并光子对可以从超表面的纳米结构光子器件产生，谐振的Q因子仅提供SPDC增强的上限。此外，作者还发现QOM可以在宽光谱范围内产生简并和非简并光子对，而不会显着降低效率。由于高Q共振，效率至少比相同厚度的GaAs薄膜高三个数量级。

图 本工作中考虑的QOM的SPDC光谱

通过测量二阶互相关函数(CF)在零时延下的泵浦功率依赖性，证实了大于50个标准差违法了CS不等式，揭示了光子对的非经典性特征。

除了纠缠态之外，窄光学共振的存在可以实现更复杂图形量子态的创建。本工作通过泵浦光束耦合共振实现了光子集群状态的生成。通过添加多个不同波长的相干泵浦光束，状态变得越来越复杂。通过适当地匹配波长分离和QOM的光学共振，多个波长的光子可以通过成对耦合进行纠缠。使用这种方法，可以实现单向量子计算的可扩展集群状态。此外，QOM提供了一种独特的方法，通过激发不同波长的共振并用单个多频泵浦光束在不同波长上纠缠多个光子对，在单个泵浦光束区域内空间复用多个超表面。

参考文献：

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