科学家成功利用共振超表面产生了复杂量子态

泵浦光子穿过共振超表面并产生不同波长的纠缠光子对

光子（photon）对包括量子态工程在内的诸多当代研究课题和技术都至关重要，而量子态工程（quantum state engineering）又是所有光量子技术的一块基石。

在量子光学领域，工程师和科学家们正在努力创造新技术 —— 比如新型超算和用于高度安全的通信信道的全新加密形式 —— 而仅针对光子对的产生，研究人员就提出了各式各样的理论。

传统方案通常涉及在光学元件中使用两种非线性效应之一来实现，即自发参量下变频（SPDC）、或自发四波混频（SFWM）—— 非线性效应会导致一两个泵浦光子自发衰减成光子对。

然而这些效应需要对所涉及的光子加以严格的动量守恒控制 —— 光子必须穿过的任何材料都具有色散特性，从而阻碍了目标的实现。

当然也有某些技术能够做到这一点，只是它们通常也会严重限制其能够产生光子对的状态的多功能性。

正因如此，尽管非线性晶体和波导等传统光学元件已经成功地产生了许多光量子，但它们的使用仍相当有限且繁琐。

某个“超表面”的扫描电子显微照片

不过来自马克斯·普朗克光科学研究所、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，已携手和桑迪亚国家实验室的 Igal Brener 研究小组，提出了基于“光学超表面”的新颖解决方案。

据悉，超表面（resonant metaSurface）特指一种厚度小于波长的人工层状材料，它能够实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性加以灵活有效的调整，你也可以将它视作“超材料”的 2D 对应物。

在这项研究中，研究团队使用了纳米谐振器阵列，来组成所需的超薄平面光学器件。它们具有亚波长的厚度（几百 nm），较笨重的传统光学设备更易接受处理。

更重要的是，由于厚度更薄，光子的动量守恒控制可以更加宽松（穿过较传统光学设备少得多的材料）。根据不确定性原理，空间限制会导致不确定的动量。

基于此，研究人员能够以相当的效率来发生多个非线性与量子过程，并且为那些无法在传统光学元件中起效的新材料敞开了大门。

SCI Tech Daily 指出：近年来，超表面正在成为量子光子来源研究实验的一个焦点、且超表面可以同时在多个自由度上转换光子 —— 例如偏振、频率和路径。

在 8 月 25 日于《科学》期刊上发表的题为《用于产生复杂量子态的共振超表面》一文中，Maria Chekhove 与同事们首次展示了如何借助超表面来产生两种不同的光子对。

特定波长的光子可同时与两个（及以上）不同波长的光子配对，从而允许人们在不同颜色的光子间创建多个链接。

此外与相同厚度的均匀源头、相比，超表面的共振特性，可让光子发射率提升多个数量级。

Tomás Santiago-Cruz 补充道：“超表面正在引领量子光学的范式转变，因为它将超小型的量子光源、与量子态工程的深远可能性结合到了一起”。

展望未来，这些特征将有助于构建规模异常庞大的复杂量子态，而这正是量子计算机所需要的。

另外超表面的纤薄外形、多功能的特性，也让开发结合了量子态生成、转换和检测的更先进且紧凑的设备成为了可能。

最后，Maria Chekhova 对他们他们的研究路线感到激动不已：“我们的光资源正变得越来越小，同时它们的潜力也正变得愈加广泛”。

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