科学家成功利用共振超表面产生了复杂量子态

泵浦光子穿过共振超表面并产生不同波长的纠缠光子对

光子（photon）对包括量子态工程在内的诸多当代研究课题和技术都至关重要，而量子态工程（quantum state engineering）又是所有光量子技术的一块基石。

在量子光学领域，工程师和科学家们正在努力创造新技术 —— 比如新型超算和用于高度安全的通信信道的全新加密形式 —— 而仅针对光子对的产生，研究人员就提出了各式各样的理论。

传统方案通常涉及在光学元件中使用两种非线性效应之一来实现，即自发参量下变频（SPDC）、或自发四波混频（SFWM）—— 非线性效应会导致一两个泵浦光子自发衰减成光子对。

然而这些效应需要对所涉及的光子加以严格的动量守恒控制 —— 光子必须穿过的任何材料都具有色散特性，从而阻碍了目标的实现。

当然也有某些技术能够做到这一点，只是它们通常也会严重限制其能够产生光子对的状态的多功能性。

正因如此，尽管非线性晶体和波导等传统光学元件已经成功地产生了许多光量子，但它们的使用仍相当有限且繁琐。

某个“超表面”的扫描电子显微照片

不过来自马克斯·普朗克光科学研究所、弗里德里希-亚历山大-埃尔兰根-纽伦堡大学的 Tomás Santiago-Cruz 和 Maria Chekhova，已携手和桑迪亚国家实验室的 Igal Brener 研究小组，提出了基于“光学超表面”的新颖解决方案。

据悉，超表面（resonant metaSurface）特指一种厚度小于波长的人工层状材料，它能够实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性加以灵活有效的调整，你也可以将它视作“超材料”的 2D 对应物。

在这项研究中，研究团队使用了纳米谐振器阵列，来组成所需的超薄平面光学器件。它们具有亚波长的厚度（几百 nm），较笨重的传统光学设备更易接受处理。

更重要的是，由于厚度更薄，光子的动量守恒控制可以更加宽松（穿过较传统光学设备少得多的材料）。根据不确定性原理，空间限制会导致不确定的动量。

基于此，研究人员能够以相当的效率来发生多个非线性与量子过程，并且为那些无法在传统光学元件中起效的新材料敞开了大门。