超表面为量子研究提供了新的可能性

泵浦光子穿过共振超表面，并在不同波长下产生纠缠光子对。图片来源：托马斯·圣地亚哥-克鲁兹

来自马克斯·普朗克光科学研究所和弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学的科学家与桑迪亚国家实验室合作，成功地利用共振超表面在几个不同频率下创造了光子对。

光子是任何形式的电磁辐射（如光）的量子（相互作用中涉及的最小量）。光子对于当前的许多研究领域和技术至关重要，例如量子态工程，这反过来又代表了所有量子光子技术的基石。在量子光子学的帮助下，科学家和工程师正在努力创造新技术，例如用于高度安全的通信通道和新型超级计算机的新加密形式。

量子态工程的关键要求之一是光子对的产生。传统上，这是通过在体光学元件中使用两种非线性效应之一，即自发参数下变频（SPDC）或自发四波混合（SFWM）来实现的。非线性效应导致一个或两个泵浦光子自发衰变成光子对。

然而，这些效应需要对所涉及的光子进行严格的动量守恒。光子必须穿过的任何材料都具有色散特性，从而阻止了动量守恒。有些技术仍然可以实现所需的守恒，但这些技术严重限制了可以产生光子对的状态的多功能性。因此，尽管非线性晶体和波导等传统光学元件已成功产生许多光子量子态，但它们的使用是有限且笨拙的。因此，最近，研究人员研究了所谓的光学超表面。

在这项工作中测试的一个超表面的扫描电子显微照片。图片来源：托马斯·圣地亚哥-克鲁兹

产生具有超表面的光子对

超表面是由纳米谐振器阵列组成的超薄平面光学器件。它们的亚波长厚度（几百纳米）使它们有效地成为二维的。这使得它们比传统的笨重的光学设备更容易处理。更重要的是，由于厚度较小，光子的动量守恒被放宽，因为光子必须穿过比传统光学器件少得多的材料：根据不确定性原理，空间限制导致未定义的动量。这允许以可比的效率发生多个非线性和量子过程，并为使用许多在传统光学元件中不起作用的新材料打开了大门。

出于这个原因，也由于超表面比笨重的光学元件更紧凑且更易于处理，因此作为量子实验的光子对的来源，超表面正在成为人们关注的焦点。此外，超表面可以同时变换几个自由度的光子，例如偏振，频率和路径。

来自马克斯·普朗克光科学研究所和弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学的Tomás Santiago-Cruz和Maria Chekhova与新墨西哥州阿尔伯克基桑迪亚国家实验室的Igal Brener研究小组合作，现在已经迈出了实现这一目标的新一步。在最近发表在《科学》杂志上的一篇论文中，契诃夫和她的同事们首次展示了超表面如何产生两个不同波长的光子对。

此外，一定波长的光子可以同时与两个或多个不同波长的光子配对。通过这种方式，可以在不同颜色的光子之间创建多个链接。此外，与相同厚度的均匀光源相比，超表面的共振使光子发射速率提高了几个数量级。Tomás Santiago-Cruz认为，超表面将在未来的量子研究中发挥关键作用：“超表面正在引领量子光学的范式转变，将超小的量子光源与量子态工程的深远可能性相结合。

将来，这些特征可以用来构建量子计算所需的非常大的复杂量子态。此外，超表面的纤薄轮廓及其多功能操作使得能够开发更先进的紧凑型器件，将量子态的产生，转换和检测相结合。玛丽亚·契诃夫（Maria Chekhova）对他们的研究所走的道路感到兴奋：“我们光子的来源变得越来越小，而与此同时，它们的可能性却越来越广泛。

更多信息：Tomás Santiago-Cruz等人，用于产生复杂量子态的共振超表面，科学（2022）。DOI： 10.1126/science.abq8684

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