利用非线性超表面产生纠缠光子

产生光子对的超表面示意图（显示为球体）。可以通过改变泵浦光束（以红色显示）来改变光子纠缠。

量子纳米光子学是一个活跃的研究领域，其新兴应用范围从量子计算到成像。这促使科学家和工程师开发可集成到纳米级光子电路中的纠缠光子源。纳米级器件的实际应用需要高光子对生成率、室温操作和以定向方式在电信波长上发射的纠缠光子。

创建纠缠光子的最常见方法是通过称为自发参数下转换 (SPDC) 的过程，该过程涉及将单个光子分成两个较低频率的纠缠光子，称为信号和闲散光子。 SPDC 的传统方法依赖于长达几厘米的笨重设备，并且不是光子电路集成的最佳选择。相反，在纳米尺度上，SPDC 工艺的效率受到谐振器体积小的阻碍，并且发射光子的方向性难以控制。

介介电超表面提供了一条有前途的途径来增强和定制 SPDC 光子发射。 然而，迄今为止，超表面使用了相对较低的品质因数 Mie 共振，并具有相应的宽发射光谱，这限制了光子的光谱亮度。 新的研究表明，连续体 (BIC) 共振中的扩展束缚态使得利用具有非常高品质因子的超表面中的模式成为可能。 这反过来意味着谐振器内的光子对生成增强了许多数量级，并且光子的波长将具有非常窄的带宽。 这导致非常高的光谱亮度，这有利于量子网络应用。

超表面产生纠缠光子对。 (a) 由于超表面缺乏 90o 旋转对称性，并且两个 BIC 具有相反的色散，横向相位匹配是双曲抛物面。 (b) 光子对的角度分布由横向相位匹配条件决定，如白色虚线所示。 (c) 通过改变泵浦极化可以将极化纠缠从无（施密特数为 1）调整为完全纠缠（施密特数为 2）。

据 Advanced Photonics 报道，来自澳大利亚国立大学（Matthew Parry、Dragomir N. Neshev 和 Andrey A. Sukhorukov）、米兰理工大学（Andrea Mazzanti 和 Giuseppe Della Valle）和圣彼得堡 ITMO 大学的国际研究团队(Alexander Poddubny) 最近证明了非线性超表面中非简并光子对的增强生成。在一系列综合模拟中，他们对 SPDC 中的信号光子和闲散光子使用了波长略有不同的单独 BIC，这使他们能够将纠缠光子的亮度比非图案化非线性材料薄膜的亮度提高五个数量级。他们将这种增强主要归因于双曲横向相位匹配的新现象，这有助于在广泛的光子动量范围内有效地产生光子。

他们提出的方法不仅能够产生量子纠缠的光子对，而且通过简单地改变泵浦激光器的线性偏振，可以将光子的偏振纠缠从完全调谐到无。这是一种易于实现的控制纠缠的方法，因此可以满足预期应用的要求。所提出的平台在信号和闲散光子的波长以及所使用的 BIC 方面也是高度可配置的，这为设计光子发射方向提供了可能性。