研究人员开发了一种新方法，可以生成有价值的光子对，它们可以在任何距离上互动，这对未来的计算、通信和传感技术可能产生重大影响。
一百多年来，科学家们一直在研究光子、电子和其他亚原子粒子在微观尺度上的奇怪行为。工程师们也在努力利用这些引人入胜的相互作用来创造新技术，已有几十年的历史。
一种有趣的效应称为量子纠缠，当两个光子连接在一起时，其中一个光子的状态会立即反映另一个光子的状态，而不管它们之间的距离。
近80年前，阿尔伯特·爱因斯坦将这一效应称为“遥远的鬼魅作用”。如今，量子纠缠是全球研究的一个关键领域，特别是与量子信息的关键组成部分——量子比特（qubits）有关。
目前，生成光子对的最有效方法是通过可见晶体发送光。今天由哥伦比亚工程研究小组发布在《自然光子学》上的一项研究揭示了一种创新方法，可以生成这些光子对，利用显著更小的设备提高性能，同时消耗更少的能量。哥伦比亚工程机械工程副教授P. James Schuck在这一研究工作中发挥了重要作用。
这一创新代表了非线性光学的重大飞跃，这一学科专注于修改光的性质，以用于激光、通信和科学仪器等应用。
“这项研究体现了长期以来渴望实现的将宏观与微观非线性和量子光学结合的目标，”哥伦比亚大学量子科学与技术硕士项目的共同主任Schuck表示。“它为可扩展的、高效的设备奠定了基础，这些设备可以集成到芯片上，例如用于纠缠光子对的可调微型发电机。”
工作原理
新开发的设备厚度仅为3.4微米，预示着未来各种量子系统的关键部件可以集成到硅芯片中，从而提高能量节约和量子设备的能力。
研究人员利用一种名为二硫化钼的范德华半导体薄层构建了该设备。他们堆叠了六层这些晶体，将每一层相对于上下层旋转180度。当光穿过这一结构时，一种称为准相位匹配的技术改变了光的性质，使得光子配对的生成成为可能。
这项研究是首次在任何范德华材料中使用准相位匹配生成适合于通信的光子对。这种方法的效率显著高于早期的方法，并且更不易出现错误。
“我们相信这一发现将使范德华材料在未来的非线性和量子光子技术中处于最前沿，使其成为所有未来芯片技术的首选候选者，并有可能替代现有的大块和周期性极化晶体，”Schuck表示。
“这些创新将迅速影响多个领域，包括基于卫星的分发和移动量子通信。”
如何实现的
Schuck和他的团队在以往研究的基础上创建了这项新设备。在2022年，他们表明二硫化钼等材料对非线性光学有有益的性质，尽管由于材料内部光波的干扰，其性能受到限制。
为了克服这一称为相位匹配的问题，团队采用了一种称为周期极化的技术。通过交替改变堆叠层的方向，设备改变了光的行为，使得在极小的尺度上能够生成光子对。
“一旦我们发现了这种材料的卓越能力，我们就倾向于使用周期极化，因为它能高效地生成光子对，”Schuck提到。
本研究是在可编程量子材料计划下进行的，这是一个由哥伦比亚大学能源部资助的能源前沿研究中心（EFRC）。它得到了Baso、Delor和Dean实验室的贡献，博士后研究员Chiara Trovatello领导了该项目。
