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在最新的《自然光子学》杂志上，一项突破性的研究成果展示了如何利用Van der Waals
engineering来生成量子纠缠光子对。研究团队通过精确堆叠两层垂直排列的二维材料，实现了偏振纠缠光子对的产生。这一成果不仅在量子光学领域具有重要意义，而且为量子通信和光子量子计算等量子技术的发展提供了新的可能性。Van der Waals
engineering是一种强大的工具，它允许科学家们通过精确控制材料的堆叠方式来设计和定制材料的性质。在这项研究中，研究人员利用这一技术，将两层NbOCl2薄片垂直堆叠，通过双光子发射的干涉产生了偏振纠缠的光子对。这种纠缠态的保真度达到了86%±0.7%，显示了非常高的量子纠缠质量。研究团队首先对单个NbOCl2薄片进行了表征，发现该材料具有非常高的非线性系数，这使得它成为调控量子态的一个有前景的平台。测量了泵浦偏振依赖的符合计数率，并观察到了与NbOCl2的非线性张量一致的大的双叶模式。通过调整泵浦偏振与晶体轴之间的角度，成功地平衡了从两个薄片中产生的光子对的计数率。在验证了单个薄片的特性之后，研究人员转向了由两个垂直排列的NbOCl2薄片构成的异质结构。他们通过调整泵浦光与晶体轴之间的角度，使得从两个薄片中产生的光子对的计数率达到平衡。在不同的测量基底中，包括水平-垂直(H-V)、对角-反对角(D-A)和右-左圆偏振(R-L)基底，观察到了符合纠缠态|Φ+⟩ = |H⟩|H⟩ + |V⟩|V⟩的高符合计数率。通过量子层析技术，重建了生成态的完整密度矩阵，进一步证实了量子纠缠的存在。这项研究的一个重要成果是展示了Van der Waals
engineering与片上光子学的兼容性，为在亚波长尺度上集成纠缠光子源开辟了新的可能性。这种兼容性允许2D材料堆叠在基于硅的纳米光子学波导上，从而增强非线性行为，同时避免了晶格失配引入的缺陷，并允许在不同层之间实现干净的界面。![]()
图 1：使用两个垂直排列的晶体产生纠缠态的实验方案。
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图 2：单个NbOCl2薄片的自发参量下转换(SPDC)特性。
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图 3：在不同测量基底下测量到的符合计数。
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图 4：纠缠量子态的表征。
L. Kallioniemi, X. Lyu, R. He, A. Rasmita,
R. Duan, Z. Liu, and W. Gao, "Van der Waals engineering for
quantum-entangled photon generation," Nat. Photon. (2024).
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