该图说明了通过自发参数下转换 （SPDC） 产生纠缠光子对。在这个过程中，频率为 ω 的“泵浦”光束中的光子p被分成一对纠缠光子，频率为 ωs 和 ωi，其中 ωp= ωs+ ω我.激子（此处显示为相反电荷对）提高了 SPDC 效率。图片来源：新加坡国立大学

新加坡国立大学 （NUS） 的科学家表明，激子共振和激子之间的跃迁可以显著提高产生纠缠光子对的效率。这可能会导致高效超薄量子光源的发展。

量子纠缠是许多量子技术的基石。简单来说，它描述了一种现象，其中两个量子粒子的特性是相互关联的，即使它们相距很远。

纠缠光子是无质量的光粒子，通常是通过称为自发参数下转换 （SPDC） 的过程将光（称为“泵浦”光束）照射到某些类型的晶体（称为非线性光学晶体）上而产生的。然而，SPDC 本质上是一个相当低效的过程。

由新加坡国立大学物理系 Su Ying Quek 副教授领导的研究团队表明，通过利用非线性光学晶体中存在的多体激子相互作用，可以提高 SPDC 的效率。

这些激子相互作用发生在光与晶体相互作用时产生的负电荷和正电荷之间。这些对相反的电荷被称为激子，由晶体的基本激发产生。该团队表明，当这些电荷靠得更近时，SPDC 效率会显着提高，具体取决于光的能量或频率。

研究结果发表在《物理评论快报》杂志上。

这些预测是使用全量子力学计算做出的，以分析晶体对入射光的非线性光学响应并解释激子效应。

这项工作的主要作者 Fengyuan Xuan 博士解释说：“SPDC 从根本上说是一个非线性光学过程，涉及晶体中基本激发之间的过渡。当晶体中由于激发引起的相反电荷彼此更靠近时，这些跃迁的可能性会增加。

“当我们的结果与忽略负电荷和正电荷之间相互作用的更传统的治疗方法进行比较时，这种效果很明显。”

郭教授说：“使用超薄晶体可以消除与 SPDC 相关的技术挑战，即相位匹配问题。尽管 SPDC 通常避免使用超薄晶体，因为人们认为其效率会随着材料体积的增加而降低，但这些超薄晶体中更强的激子相互作用可以减轻这种影响。这使得超薄晶体成为产生纠缠光子的可行来源。

该团队将理论方法应用于 NbOI2，一种多层非线性光学材料，用于研究 SPDC 和二次谐波产生 （SHG），即 SPDC 的相反过程。他们根据入射光的偏振角模拟了 SHG 强度，发现这些模拟与以前发表的实验工作非常吻合。

他们还发现，当“泵浦”光束的频率与晶体中的激发频率紧密匹配时，激子增强特别强烈。此外，如果其中一个纠缠光子的频率与晶体中另一个激发频率匹配，则可以进一步增强 SPDC。

郭教授补充说：“这些发现为使用超薄材料产生纠缠光子铺平了道路，这些材料可以更容易地集成到下一代设备的混合量子光子平台中。

更多信息：Fengyuan Xuan 等人，二维晶体中激子增强的自发参数下转换，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.132.246902。在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2305.08345

期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv