波矢分辨的偏振纠缠：揭示辐射级联中光子对偏振纠缠的角度依赖性

量子光源的性能提升是量子技术发展的关键，然而传统研究忽视了辐射级联中光子偏振纠缠与发射波矢的关联性。研究人员通过实验和理论模型，首次在微腔嵌入的量子点中观测到偏振纠缠随发射角度显著变化的现象，为设计高性能纠缠光子源提供了全新视角。该研究发表于《Nature Communications》，解决了量子光源设计中亮度与纠缠度难以兼得的难题，对量子通信和量子网络发展具有重要意义。

　　

在量子信息技术蓬勃发展的今天，高性能纠缠光子源是实现量子通信、量子计算等应用的核心组件。传统理论认为，辐射级联过程产生的光子对具有近乎完美的偏振纠缠特性，这一假设成为众多量子光源设计的理论基础。然而，来自奥地利林茨理工大学（Johannes Kepler University Linz）等机构的研究团队在《Nature Communications》发表的最新研究，颠覆了这一认知，揭示了光子偏振纠缠与发射角度之间长期被忽视的深刻关联。

量子光源领域面临着一个关键矛盾：虽然固态量子发射器（如量子点QD）能提供确定性光子对，但实际应用中往往需要在提高光子提取效率（亮度）和保持高纠缠度之间做出取舍。以往研究多聚焦于通过微腔结构提升提取效率，却鲜少关注不同发射角度下偏振纠缠特性的变化。这一盲区可能严重影响实际量子系统的性能，因为大多数微腔设计会显著改变光子的远场分布特性。

研究人员选择GaAs量子点嵌入环形布拉格谐振腔（CBR）作为研究对象，这种结构兼具宽带收集增强和应变调控能力。通过独创的傅里叶显微技术结合量子态层析，团队实现了对特定波矢区域光子对的偏振纠缠测量。令人惊讶的是，实验显示当收集角度θ从0°增加到50°时，纠缠保真度从0.94骤降至0.25，这与传统理论预测形成鲜明对比。

关键技术方法包括：1）应变可调的CBR量子点器件制备；2）偏振分辨的背焦平面成像技术获取波矢依赖的发射特性；3）体积布拉格光栅分离双激子（XX）和激子（X）发射线；4）有限差分时域（FDTD）模拟验证实验结果；5）量子态层析定量评估纠缠特性。

波矢依赖的纠缠退化机制
理论模型首次完整描述了双激子态|Ψ?=(|1?|-1?+|-1?|1?)/√2的辐射衰变过程。研究发现，光子偏振态|P_k^±?随波矢k的变化导致纠缠态从理想贝尔态|?⁺?退化为混合态。当θ=50°时，密度矩阵显示相干项完全消失，这与FDTD模拟的远场偏振分布高度吻合。

微腔设计的双刃剑效应
实验对比平面膜与CBR结构发现，后者虽然将提取效率提升至η≈0.7，却加剧了波矢-偏振关联。数据表明，CBR中两个正交偶极子与腔模的非对称耦合导致远场模式可区分性，这是纠缠退化的物理根源。

收集孔径的权衡关系
通过可变孔径实验，团队量化了纠缠度与亮度的trade-off：单模光纤收集时保真度达0.94但仅保留30%符合计数，而多模收集时保真度降至0.60。这种效应不能用简单的模式重叠不足解释，因为密度矩阵中出现了|ψ⁺?态的混合成分。

这项研究从根本上改变了人们对辐射级联过程的理解：1）揭示了固态系统中类似原子体系的波矢-偏振关联效应；2）建立了包含角度依赖的纠缠定量模型（式6）；3）为微腔设计提供了新准则——理想的纠缠源需要同时优化模式纯度和提取效率。研究团队指出，未来可通过腔模整形（如优化CBR几何参数）或后补偿技术来突破现有性能瓶颈。这些发现不仅适用于量子点系统，对分子、色心等其他量子发射器同样具有指导意义，为开发兼具高亮度、高纠缠度的实用化量子光源指明了方向。