InGaP超表面的偏振纠缠示意图。纳米结构的InGaP超表面能够增强沿z方向反向传播的偏振纠缠光子对的生成。右下图展示了制备的超表面的扫描电子显微镜图像。

近日科学家借助一种新型材料平台，成功制备出纠缠度可调的光子对 —— 而实现这一突破的材料层，厚度竟比人的头发丝还要薄。

研究表明这种光子对是由一种由铟镓磷化物（InGaP）制成的超表面产生，该超表面具有非线性响应特性，能够将一个经典光子分裂成两个量子光子。通过调节初始光子的波长，可以产生两种全新的光子：它们可以通过偏振态实现完全纠缠、完全不纠缠，或者处于两者之间的任意纠缠状态，且调控精度可达皮秒级。

该过程利用了超表面的不对称性。并且这是一个令人兴奋的、用于制备可调量子态的新物理原理。非线性过程中不对称性的重要性已广为人知，但这是首次将其应用于生成纠缠光子对。

该项研究的团队负责人为安德烈·苏霍鲁科夫（Andrey Sukhorukov）教授，他的团队来自电子材料工程系（EME），以及澳大利亚研究理事会（ARC）卓越中心——变革性超光学系统中心（TMOS）。

可调谐的纠缠光子对是实现安全量子通信和加密的关键要素，而这项研究是首次利用超表面微型化技术来实现纠缠可调谐性的。

该研究成果以“Nonlinearity symmetry breaking for generating tunable quantum entanglement in semiconductor metasurfaces”为题，发表在《科学进展》杂志上，详细阐述了该过程如何利用光学谐振来提升光子对的生成效率。

新工艺的关键在于超表面的制造工艺

研究人员在研究材料时发现，InGaP的性能非常有前景——它具有大的非线性系数、带隙宽，并且在红光波长下透明。

在回顾以往关于InGaP的研究时，研究人员发现了一个字面意义上的“转折点”。上世纪八十年代的实验曾探索过采用不同的晶体取向，以利用不同方向上出现的不同非线性特性。

于是，他们在澳大利亚国家制造设施中心（Australian National Fabrication Facility）尝试旋转晶格进行外延生长。最终，完善了一种方法，成功制备出InGaP晶体结构沿 [110] 方向排列的的超表面，这与更常见的[100]取向形成对比，在 [100] 取向下，所需的非线性条件几乎完全不存在。

为了进一步利用[110]取向的非线性特性，研究团队希望通过产生光学谐振来提升效率。

非线性过程的实验表征

最终建模结果表明，产生光学谐振的最佳条件是采用一种超表面设计，使用高度为 500 纳米、直径略小于 1 微米、间距为 1 微米的柱状阵列，并将其置于二氧化硅基底上。”

泵浦激光以90度角从上方或下方注入超表面，促使泵浦光子下转换为两个波长更长的光子（单光子下转换）；其中一个与泵浦光子同向传播，另一个则反向传播。

这种超表面不仅比传统的下转换光学元件薄一千多倍，还具有一个强大的特性——不对称性。

由于单面二氧化硅基地的存在，两个新光子所处的条件是非对称的，这意味着光子对可以是非对称的，而非固定为对称的纠缠态。这一机制是传统非结构化非线性晶体无法实现的。

纠缠程度取决于泵浦激光器的波长与光学谐振的相对关系：通过改变失谐量，两个光子的纠缠状态可从完全纠缠转变为完全不纠缠。

光学可调偏振纠缠的实验表征。

实验成功验证了模型预测的行为，其信噪比（SNR）比现有的半导体平面光学器件高出两个数量级。

从超表面生成偏振纠缠并非易事——研究人员需要确保不同量子过程之间具有高空间和光谱重叠。该过程需要接近平直带的光学谐振，通过利用局域化谐振，这受益于InGaP的高折射率。

这项研究创新之处在于开发了一种新的物理方法，它通过改变泵浦波长来实现偏振纠缠的调谐，从而克服了非结构材料的局限性。

可调超纠缠的视角。

除了偏振纠缠外，光子对还具有空间纠缠——拥有两种纠缠特性，它们被归类为“超纠缠”。

并且，由于输出对的改变速度可与泵浦波长的调谐速度相匹配，因此纠缠可实现皮秒级控制。

研究人员表示：“这为超表面设计开辟了新可能性——该方法可用于调控其他自由度或多个自由度，以实现超纠缠。”

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