罗彻斯特大学实验室：在纳米芯片上突破量子纠缠宽带记录

罗彻斯特大学实验室研究人员展示了薄膜纳米光子装置产生纠缠光子对的“超宽带”的带宽记录。(图片来源：网络)

当两个量子粒子相互关联时，即使相距数百万千米，也会发生量子纠缠。对一个粒子的观察也会影响到另一个粒子，就好像它们在彼此交流一样。当这种纠缠涉及到光子时，就会出现一些有趣现象，包括纠缠光子的频率、光子的频带宽度都是可以控制的。

罗彻斯特大学的研究人员利用这一现象，通过他们在《物理评论快报》上描述的薄膜纳米光子装置，生成了惊人的大带宽。

这一突破可能会导致:

• 提高计量学和传感实验的灵敏度和分辨率，包括光谱学、非线性显微镜和量子光学相干断层扫描；

• 信息处理和通信用量子网络中信息的高维编码。

罗彻斯特大学电子和计算机工程学教授林强说：“这项工作标志着在纳米光子芯片上制造超宽带量子纠缠的一个重大飞跃，它展示了纳米技术在未来通信、计算和传感领域发展量子装置的力量。”

不需要在带宽和亮度之间权衡

迄今为止，大多数用于产生光的宽带纠缠的设备都是采用将块状晶体分割成小块的方法，每一块晶体的光学性质略有不同，所以每一块晶体产生的光子对的频率也不同。把频率叠加在一起，就会产生更大的带宽。

“这种方法效率很低，而且会降低光子的亮度和纯度，”林强教授实验室的博士生乌斯曼 · 贾维德说。在这些设备中，“我们总是需要在生成的光子对的带宽和亮度之间进行权衡，必须在两者之间做出选择。我们用色散工程技术完全避免了这种二选一难题，可以同时两者兼得：创纪录的高带宽和创纪录的高亮度。”

林强教授的实验室创建的薄膜铌酸锂纳米光子器件使用两侧带有电极的单个波导。根据贾维德的说法，以往一个大块装置可以达到毫米，但新的薄膜装置的厚度为600纳米——其横截面积是一个大块晶体小100多万分之一。这使得光的传播对波导的尺寸极为敏感。

事实上，即使只是几个纳米的变化，也可以引起光在其中传播的相位和群速度的重大变化。因此，研究人员的薄膜装置可以精确控制光子成对过程中与动量匹配的带宽。“然后我们可以解决参数最佳化问题，最大化这种带宽。”贾维德说。

贾维德说，这种装置已经准备好用于实验，但目前只能在实验室环境中使用。如果要在商业上使用，则需要一种更有效率和更具成本效益的制作方法。他说，尽管铌酸锂是光基技术的一种重要材料，但铌酸锂制造仍处于初级阶段，需要一段时间才能成熟到具有经济意义。

文：任怡朴

编辑：王珩