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偏振纠缠光源作为现代量子技术的关键组成部分，在量子密钥分发、量子计算、量子成像和量子传感等领域具有广泛应用。其中，基于非线性晶体自发参量下转换（Spontaneous parametric down-conversion, SPDC）过程产生偏振纠缠光子对的方法，因其较高的转换效率和无需低温环境等优点，已成为量子光学应用中广泛采用的光源方案。然而，SPDC过程要求泵浦光和辐射光严格满足相位匹配条件，这通常需要通过复杂的晶体双折射设计、精确的周期极化处理以及精细的温度调控来实现。此外，纠缠光子对的偏振态直接由非线性媒质的二阶非线性极化率张量决定，而这一特性作为材料的固有属性，难以进行有效的人为调控。以上限制因素导致偏振纠缠光源的实现需要引入额外的偏振态选择和叠加装置，从而显著增加了系统的复杂性和实现难度。
针对上述问题，清华大学精密仪器系杨原牧副教授课题组与瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）Rachel Grange副教授课题组展开合作，提出了一种利用由ITO薄膜与超构表面组成的强耦合结构，通过SPDC过程直接生成偏振纠缠光子对的新方法。研究团队通过人工构造材料的等效二阶非线性极化率张量，实现了对纠缠光子对偏振态的灵活调控，生成偏振纠缠Bell态（最大纠缠态），实验测量保真度达到0.91。此外，研究团队还利用ITO薄膜的介电常数近零（Epsilon-near-zero, ENZ）效应所引发的电场增强现象，同时结合SPDC过程中对泵浦波长的谐振设计，显著提升了偏振纠缠光子对的产生效率。该研究成果近日以“基于介电常数近零超构表面的偏振纠缠Bell态量子光源”（Polarization-entangled Bell state generation from an epsilon-near-zero metasurface）为题发表在《科学·进展》（Science Advances）上。
技术成果展示
图1. 基于ENZ薄膜（ITO）和超构表面产生偏振纠缠Bell态光子对示意图
本研究旨在实现通信波段的偏振纠缠量子光源。为此，研究人员将纠缠光子对的中心波长设定为1550 nm，并选择其倍频波长775 nm作为泵浦波长。在超构表面的设计中，金属开口谐振环（Split-ring resonator，SRR）被选作基本谐振单元。为了提高纠缠光子对的产生效率，研究人员通过优化单元结构的形状和尺寸，构建了由超构表面与ITO薄膜组成的强耦合结构（图2A）。超构表面的透射率光谱如图2B所示，在SPDC过程的泵浦波长和光子对发射波长处均能支持谐振。同时，在ENZ效应的作用下，超构表面结构内部电场增强可达到两个数量级以上（图2C）。这种显著的电场增强效应能够有效提升非线性相互作用强度，从而显著提高SPDC过程的效率，增强纠缠光子对的产生。
图2. ITO薄膜与超构表面强耦合结构的设计方法
为了进一步验证ENZ超构表面能否有效辐射纠缠光子对，研究人员搭建了如图3A所示的Hanbury-Brown-Twiss（HBT）测试系统。通过连续波激光泵浦ENZ超构表面，研究人员获得了如图3B所示的符合计数直方图。在时间延迟τ = 0 ns处，符合计数出现明显峰值，证实ENZ超构表面能够有效生成纠缠光子对。根据计算，ENZ超构表面辐射光子的符合计数与随机计数比值（Coincidences-to-accidentals ratio，CAR）超过40，远高于经典光源的理论极限2，进一步证实了其发射光子的量子特性。为了探究纠缠光子对的产生机理，研究人员测量了光子对符合计数随泵浦功率的变化关系。实验结果如图3C所示，其变化趋势与SPDC过程的基本规律一致，进一步验证了ENZ超构表面作为高效量子光源的潜力。
图3. 纠缠光子对符合计数测试结果
此外，研究团队通过设计等离激元超构表面的单元结构，实现了对其等效二阶非线性极化率张量的精准调控，从而能够精确控制纠缠光子对的偏振态。在x偏振光泵浦下，超构表面将生成一对偏振态正交的信号光（signal）和闲频光（idler），其中信号光的偏振态以相等概率呈现为x或y方向，而闲频光的偏振态则相应地呈现为y或x方向，满足偏振正交关系。为了完备表征ENZ超构表面产生光子对的偏振态，研究人员对其进行了偏振量子态层析测试，并重建了相应的态密度矩阵（图4A和B）。与理论预测的Bell态密度矩阵（图4C和D）相比，实验结果的保真度达到0.91，充分验证了该方案的可靠性。
图4. 纠缠光子对偏振态测试结果
本研究利用ITO薄膜和金属SRR微纳结构阵列构成的强耦合结构，通过SPDC过程生成纠缠光子对。在此基础上，研究团队通过设计ENZ超构表面各向异性的等效二阶非线性极化率张量，实现了对纠缠光子对偏振态的灵活操控，从而直接生成偏振纠缠Bell态，实验测量保真度达到0.91。ENZ超构表面的厚度仅为68 nm，是目前已报道的厚度最薄的偏振纠缠Bell态量子光源。在未来的研究中，ENZ超构表面的非线性响应有望通过电调制或全光调制的方法进行快速控制，从而实现时空特性和偏振特性可编程的量子光源。此外，通过优化ENZ超构表面单元结构的形状和几何参数，可以灵活操控信号光和闲频光之间的相位差，进而基于多个维度生成高维纠缠态。
本工作的完成单位为清华大学精密仪器系、精密测试技术与仪器全国重点实验室和ETH Zürich物理系。清华大学精仪系博士研究生贾文鹤和ETH Zürich物理系博士后Grégoire Saerens为共同第一作者，清华大学精仪系杨原牧副教授和ETH Zürich物理系Rachel Grange副教授为共同通讯作者。清华大学博士研究生李鎏，ETH Zürich博士研究生Ülle-Linda Talts和博士后Helena Weigand、Robert J. Chapman为本工作出了重要贡献。本研究得到了中国国家自然科学基金、瑞士国家科学基金等项目的资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads3576
