基于纳米结构NbOCl2的电调谐纠缠光子对源及其在量子通信中的应用

为解决量子通信中纠缠光源体积大、不可调谐的问题，研究人员开发了一种基于纳米结构NbOCl2的电调谐纠缠光子对源。通过结合高非线性材料NbOCl2和液晶（LC）动态调控，实现了250 nm波长可调谐的偏振纠缠Bell态生成，效率提升三个数量级，为集成化量子通信系统提供了关键技术支撑。

　　

量子通信技术的核心挑战在于如何实现高效、可调谐的纠缠光子源。传统非线性晶体如BBO和PPLN虽能生成纠缠光子对，但体积大且波长固定，难以满足卫星通信和便携设备的需求。二维材料NbOCl₂因其超高二阶非线性系数（χ⁽²⁾≈100 pm/V）和空气稳定性成为研究热点，但其缺乏动态调谐能力。新加坡科技研究局（A*STAR）的研究人员通过将NbOCl₂纳米结构与液晶（LC）结合，首次实现了电调谐纠缠光子对源，相关成果发表在《Optics》上。

研究团队采用三项关键技术：1）设计支持边界连续态（BIC）的NbOCl₂超表面，品质因子Q达1350；2）利用LC分子取向调控共振波长，实现687 nm泵浦光的高效转换；3）通过正交堆叠NbOCl₂腔体动态生成Bell态。实验表明，该系统在1450-1700 nm波段内可调谐，光子对生成速率超过10⁴ coincidences，且调谐过程不损失亮度。

结果与讨论

• 超表面设计：梯形NbOCl₂纳米柱结构（短边110 nm，长边145 nm）通过BIC共振增强光场，使SPDC效率提升1000倍。
• 电调谐机制：施加5 V电压可使LC折射率变化0.3，进而将SPDC波长偏移250 nm，响应时间<1 ms。
• 纠缠态调控：正交腔体结构直接生成|Φ⁺?态，保真度达92%，优于传统后选择方法。

结论
该工作首次将LC电调谐特性与NbOCl₂非线性优势结合，解决了量子光源波长固定和体积庞大的瓶颈问题。其CMOS兼容性为芯片级量子通信系统、自适应传感器等应用铺平道路，标志着可编程量子光源的重大突破。