半导体超表面中非线性对称性破缺实现可调谐量子纠缠的突破性研究

为解决量子纠缠可调谐性受限于材料非线性张量对称性的难题，研究人员通过设计结构不对称的[110] InGaP纳米谐振器超表面，首次实验演示了基于非线性偏振对称性破缺的可调谐双光子纠缠。该研究实现了通过泵浦波长连续调控偏振纠缠态（从部分纠缠态到贝尔态），并观测到显著的空间反关联现象，理论证实可进一步拓展至超纠缠态调控。所开发的纳米级纠缠源具有7×104的超高符合-偶然比（CAR），性能超越现有半导体平面光学器件两个数量级，为片上集成量子技术提供了新范式。

　　

量子信息技术的发展亟需高性能、可调控的纠缠光源。传统非线性晶体生成的量子纠缠态受限于材料固有对称性，仅能通过泵浦偏振单一参数调节，难以实现实时、宽范围的动态调控。尽管超表面结构在经典光场调控中展现出非凡能力，但如何将非对称非线性响应引入量子体系，突破材料对称性对纠缠态调控的限制，仍是未被探索的科学难题。

研究人员通过设计[110]晶向铟镓磷（InGaP）半导体超表面，在纳米尺度实现了非线性偏振对称性的可控破缺。该结构支持TE/TM模式的双重共振（Q≈25-30），通过结构不对称性使反向传播的信号-闲频光子对产生差异化的非线性极化分布。实验证实，仅需调节泵浦波长（λ_p×2=1556-1574 nm），即可将偏振纠缠态从部分纠缠态（α/β=0.1）连续调谐至贝尔态（∣Ψ^-?=(∣H_sV_i?-∣V_sH_i?)/√2，保真度>95%）。对称性分析表明，这种调控源于泵浦波长改变导致的非线性极化A₁对称性参数η变化（0.7-1.0），打破了传统材料中90°旋转对称性的限制。

关键技术包括：（1）金属有机气相外延（MOCVD）生长[110]InGaP纳米柱阵列；（2）电子束光刻与干法刻蚀制备非对称超表面；（3）符合计数测量系统（时间分辨率0.486 ns）；（4）量子态层析技术重构密度矩阵；（5）空间k空间关联测量装置。

研究结果揭示：

1. 概念与建模：理论模拟显示反向传播SPDC过程打破90°对称性，使∣H_sV_i?与∣V_sH_i?过程产生效率差异，1562 nm泵浦时可获得98%保真度的贝尔态。
2. 非线性增强：实验测得二次谐波（SHG）增强50倍，SPDC速率比非结构薄膜提升25倍，证实共振增强效应。
3. 纠缠调控：通过泵浦波长调谐实现α/β系数从0.1到0.8的连续变化，并发现在1558 nm处获得最大纠缠度（并发度0.9）。
4. 空间关联：k空间测量显示信号-闲频光子对存在显著反关联（∣k_s?=-∣k_i?），预示空间-偏振超纠缠态的产生潜力。

这项研究开创性地将对称性破缺引入量子光学领域，突破了传统非线性晶体对纠缠态调控的限制。InGaP超表面平台兼具220 pm/V的高非线性系数（χ_xyz）和7×10⁴的CAR值，为片上集成量子光源树立了新标准。理论预测的波长-偏振多维调控能力，结合脉冲泵浦频梳技术，可望实现时分/波分复用的多用户量子网络。该成果发表于《Science Advances》，为发展可编程量子光源提供了全新思路，推动量子通信、计算和成像技术的微型化进程。