薄膜铌酸锂，首次片上集成高亮度偏振贝尔态光源

假设把一对偏振纠缠光子分别送往相隔很远的两个地方，那么测量其中一个光子的偏振状态时，另一个光子的测量结果也会呈现出超过经典物理所能解释的关联性。这种非经典关联，让偏振纠缠光子对成为量子通信、量子精密测量和量子计算中的重要资源。

在众多纠缠态中，贝尔态是一类最大纠缠态、也是通常用来验证和利用量子纠缠的核心对象。能否稳定、高亮度、可集成地产生贝尔态光子对，影响着实验室的空间光学平台是否发展成更紧密、更可扩展的芯片级量子系统。

薄膜铌酸锂（TFLN）正是在这一背景下受到关注，它兼具强大的
 非线性特性、宽透明窗口以及出色的电光可调性，近来已成为集成量子光学中极具潜力的平台之一。

近期，由韩国科学技术研究院（KIST）牵头，联合延世大学、世宗大学、韩国科学技术院等机构，在薄膜铌酸锂平台上集成多模干涉器、两条周期极化铌酸锂波导和偏振分束旋转器，首次实现了最大偏振纠缠态的片上生成，并在连续波泵浦下获得518.2 MHz/mW的片上光子对产生亮度，相关成果发表于Optica。（论文链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.585293）

偏振可以简单理解为光场振动的方向。若一对光子处于贝尔态，它们可能共同处于“两个都是水平偏振”和“都是垂直偏振”的叠加状态。测量之前，光子的偏振状态是未知的，而一旦分别测量两个光子，它们的偏振结果会表现出高度关联。

要得到这样的光子对，首先要同时产生一对光子。常用方法是自发参量下转换，也就是将一束频率较高的泵浦光送入具有二阶非线性的材料，一个泵浦光子产生两个频率较低的光子。这个过程必须同时满足能量守恒和动量守恒，产生的光子对的传播方向和相位关系也被材料结构严格约束。

图1 自发参量下转换示意图

（图片来源：https://commons.wikimedia.org/wiki）

研究人员会在光子对产生的过程中通过设计材料和光路写入偏振信息。比如，让一个泵浦光子既可能产生一对水平偏振光子，也可能产生一对垂直偏振光子。要使这两种过程形成纠缠，两对光子在颜色、产生时间和传播路径等方面必须尽可能无法区分。一旦从实验装置上就能判断它们来自哪种过程，偏振纠缠的质量就会下降。

上述写入偏振的过程看上去很成熟，但在芯片平台却遇上了难题。在片上波导中，偏振的影响更复杂，片上波导的横电（TE）和横磁（TM）模式往往有不同的传播损耗、有效折射率、群速度和耦合效率。高质量偏振纠缠要求两条产生偏振光子的路径足够“不可区分”，如果某一支产生偏振光子的路径损耗稍大、相位多走一点，测量者就可能从系统中“看出”光子对来自哪一种过程，纠缠可见度和保真度也就随之下降。

薄膜铌酸锂为解决这一问题提供了一个很有吸引力的平台；它较强的二阶非线性、较宽的透明窗口和高速电光调控能力，既能高效产生光子对，也可以进一步集成调制器、相移器等主动器件。此前，薄膜铌酸锂芯片已经实现了光子对、压缩光和时间分箱纠缠等功能。

该研究关于芯片的核心思路，是把一束波长约775 nm的连续波泵浦光打入芯片，然后通过1×2多模干涉器分成A、B两条路径，随后分别进入长度为5 mm的周期极化铌酸锂（PPLN）波导。在PPLN波导中，泵浦光通过自发参量下转换过程，将一个高能泵浦光子转化为两个能量较低的光子。

图2 薄膜铌酸锂芯片产生偏振纠缠光子对的原理

研究人员采用0型相位匹配，使参与过程的泵浦光、信号光和闲频光都以TE模式传播。这种方式可以利用铌酸锂最大的二阶非线性系数，提高非线性转换效率。此时，两条路径里生成的都是水平偏振光子对，且光子对究竟来自A路还是B路无法区分，已经具备形成纠缠的基础。

接下来，芯片中的偏振分束旋转器让其中一路保持原有TE偏振，另一路转换为TM偏振。两条路径重新汇合后，得到由“水平-水平”和“垂直-垂直”两种分量相干叠加而成的偏振纠缠态。这样，“分路、产生、偏振转换、重新合成”这些原本需要多个分立元件完成的步骤，都被压缩进薄膜铌酸锂光子芯片中。

只能产生纠缠还不够，还要保证光源的质量。在纠缠光子源中，一般用纯度、并发度和保真度作为指标。纯度可以反映量子态受到混合和噪声影响的程度，数值越高，说明越“干净”。并发度越接近于1，说明纠缠越强。保真度高则表示实验态与目标贝尔态很接近。

研究人员首先单独测试了PPLN波导的结果。综合测得的耦合损耗和传播损耗，研究人员估算出片上光子对产生亮度约为518.2 MHz/mW，这一数值高于现有的多种集成偏振贝尔态光源。在89.7 nW泵浦功率下，符合计数与偶然符合计数之比达到2.9×10^4，说明真实成对光子的信号远高于随机背景。

图3 PPLN波导的相位匹配与光子对产生测试。（a）相位匹配计算；（b）二次谐波光谱；（c）符合计数随泵浦波长的变化；（d）符合计数随泵浦功率增加

为了进一步提高频谱纯度和不可区分性，团队在实验中加入通带约0.66 nm的100 GHz密集波分复用滤波器，用来筛选简并光子对。随后，研究人员对芯片输出的偏振纠缠态进行表征。测量结果显示，两路偏振投影的干涉可见度分别达到98.33%和97.36%，生成态的纯度为0.901±0.012，并发度为0.900±0.012，相对于目标偏振纠缠态的保真度达到0.941±0.007。数据说明，这枚芯片能够产生质量较高、可用于后续量子信息实验的偏振纠缠光子对。

片上偏振贝尔态光源的实现，让纠缠光子对离真正可扩展的芯片级量子系统更近了一步。未来若进一步集成相移器、调制器、滤波器和探测器，就有望把“产生纠缠”推进到“操控纠缠、分发纠缠、利用纠缠”的完整平台。

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2026年10月15日

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https://quantumzeitgeist.com/integrated-photonics-enables-compact-bright-source-of-entangled-photon-pairs/

科学编辑 | 邹榆红

编辑 | 徐睿