光子晶体波导（PhC WG）中两能级发射器的光子散射示意图。弱相干态通过浅蚀刻光栅 （SEG） 耦合到 PhC WG 中。在光子散射图中，单光子波包主要通过两能级发射器上的弹性散射反射，而双光子波包可以在传输方向上进行非弹性散射，从而产生能量-时间纠缠光子对。图片来源：Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02543-8

《自然物理学》（Nature Physics）上的一项新研究展示了一种使用量子点产生量子纠缠的新方法，这违反了贝尔不等式。这种方法使用超低功率水平，可以为可扩展和高效的量子技术铺平道路。

量子纠缠是量子计算技术的必要条件。在这种现象中，量子比特（量子比特）——量子计算机的构建块——无论它们的物理距离如何，都会变得相关。

这意味着，如果测量一个量子比特的属性，它会影响另一个量子比特。量子纠缠通过贝尔不等式进行验证，贝尔不等式是一个通过测量纠缠量子比特来测试量子力学有效性的定理。

采访了该研究的第一作者，丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究所的Shikai Liu博士。刘博士对量子点的兴趣源于他早期对传统纠缠源的研究。

他告诉 Phys.org，“在我攻读博士学位期间，我致力于使用自发参量下变频（SPDC）生成纠缠光源。然而，块状晶体固有的弱非线性使得泵浦光子难以充分利用。量子点在单光子水平上的巨大非线性引起了我的注意，并引导我进行这项研究。

如前所述，这项研究的核心是贝尔不等式。物理学家约翰·斯图尔特·贝尔（John Stewart Bell）于1964年提出，这种数学表达式有助于区分经典行为和量子行为。

在量子世界中，粒子可以表现出比经典世界更强的相关性。贝尔不等式提供了一个阈值：如果相关性超过这个阈值，则相关性的性质是量子的，这意味着量子纠缠。

刘博士阐述道：“贝尔不等式区分了经典相关性和量子相关性。任何局部现实理论都必须满足以下条件：粒子之间所有测量的相关性必须小于或等于2。

研究人员用它来确定他们实验的有效性，以及他们构建的装置是否产生了量子纠缠。该装置本身基于量子点和波导。

量子点是纳米级结构，其行为类似于人造原子。从本质上讲，它们是半导体芯片，旨在将中性激子捕获在其结构中。

通过将中性激子捕获在狭小的空间中，激子表现出量子化的能量状态，就像它们被限制在原子中一样。这就是为什么量子点的行为与人造原子相似。

这些量子点充当两能级系统，类似于天然原子，但具有集成到芯片中的优势。此外，可以调整能级，由量子点的大小和组成决定。

量子点系统可以充当发射器系统，这意味着它们可以高效发射单光子。在某些条件下，发射的光子会纠缠在一起。

为了提高量子点发射光子的效率、相干性和稳定性，研究人员将其与光子晶体波导耦合。

这些材料具有交替的高折射率和低折射率材料的周期性结构。这允许光被引导通过管状结构，该结构像人的头发一样细。

因此，波导允许在方向和波长方面控制和操纵光的传播，从而增强光与物质的相互作用。

然而，实现波导和量子点之间的高效耦合带来了重大挑战。

“为了改善光与物质的相互作用，我们制造了一种光子晶体波导，为量子点提供了强大的约束，”刘博士解释说。“这不仅导致了发射光进入波导的高耦合效率（大于90%），而且还通过减慢纳米结构中的光并增加其与量子点的相互作用时间，将Purcell增强了16。

Purcell增强是指当放置在共振光腔或结构化光子环境附近时，量子发射器（如量子点）的自发发射速率增加的现象。

简单来说，Purcell增强通过将量子发射器放置在放大其与光相互作用的环境中来增强量子发射器的光发射。这是通过改变发射器周围区域可以发射光的多种不同方式来工作的。

该团队还必须应对由晶格中的热振动引起的快速退相（快速失去相干性）。这些振动破坏了粒子的稳定量子态，使其更难保持和准确测量它们的量子特性。

他们的解决方案是将芯片冷却到-269°C的寒冷温度，以尽量减少半导体材料中量子点和声子之间不必要的相互作用。

一旦他们的两能级发射器系统用于产生纠缠光子，研究人员就使用两个不平衡的Mach-Zehnder干涉仪来执行CHSH（Clauser-Horne-Shimony-Holt）贝尔不等式测试。CHSH 是贝尔不等式的一种形式。

通过仔细设置干涉仪的相位，研究人员测量了发射光子之间的弗兰森干涉。弗兰森干涉是在涉及纠缠光子的量子光学实验中观察到的一种干涉图案。

“在我们的测量中观察到的 S 参数为 2.67 ± 0.16，明显高于 2 的局部边界。这一结果证实了贝尔不等式的违反，从而验证了通过我们的方法产生的能量-时间纠缠态，“刘博士说。

这种违反至关重要，因为它证实了光子之间相关性的量子性质。

其两电平发射器设置的突出特点之一是其能效。

纠缠是在低至7.2皮瓦的泵浦功率下产生的，比传统的单光子源低约1000倍。这种超低功耗操作与片上集成相结合，使该方法在实用量子技术中非常有前途。

刘博士为未来的研究设想了几个令人兴奋的方向。“一种途径是通过非弹性散射多个两能级发射器来探索复杂的光子量子态和多体相互作用，”他建议道。此外，将我们的方法进一步集成到兼容的光子电路中，将促进更多功能和更小的占用空间，增强涉及计算、通信和传感的多功能光子量子应用。

更多信息：Shikai Liu 等人，通过两能级发射器上的光子散射违反贝尔不等式，Nature Physics （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02543-8

期刊信息： Nature Physics