导读
双光子干涉在多种量子技术中发挥着重要作用，但需要稳定高效的量子光源以及可集成的多功能平台支持，在这方面，量子光学超表面（QOMs）成为有潜力的平台。然而，当前QOMs中的自发参量下转换（SPDC）较弱，较难直接观察到。因此，来自美国桑迪亚国家实验室的Igal Brener等研究人员设计了基于[110]取向GaAs的QOMs，可以将SPDC提升近一个数量级，并首次在双光子光谱中观察到以法诺形式呈现的双光子干涉，从而可以丰富超表面中纠缠光子的产生方式并为量子技术打造更有前景的平台。
该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Fano interference of photon pairs from a metasurface”，美国桑迪亚国家实验室的Jiho Noh是论文的第一作者，Igal Brener是论文的通信作者。
研究背景
量子干涉是推动量子信息处理、量子网络、量子成像等诸多量子技术发展的关键，而纠缠双光子的产生是实现这些技术的重要基础，可通过自发参量下转换（SPDC）等非线性过程生成。量子光学超表面（QOMs）作为新兴的量子光生成与调控平台，凭借放宽的相位匹配条件，有望支持多通道双光子的同时产生，但此前的QOMs因SPDC效率过低，难以观察到此类效应，限制了其在量子领域的应用拓展。
过往研究中，基于[001]取向GaAs的超表面由于晶体取向导致的模式与非线性张量重叠积分不足，使得面内米氏模式对SPDC的贡献微弱，双光子生成效率受限。同时，虽已有多种材料和设计的QOMs被探索用于SPDC，但量子干涉现象始终未在QOMs中被观测到，亟需提升 SPDC效率以突破这一瓶颈。
创新研究
研究人员首先给出了利用QOMs平台观察同一非线性介质中空间重叠但不同源发射的双光子之间的光谱域双光子干涉（图1a）的基本原理图。并展示了从[110]取向的GaAs晶片制造超表面的SEM图像（图1b），该取向可以明显增强由米氏型和qBIC共振驱动的SPDC，从而提高SPDC及其经典逆过程二次谐波生成（SHG）的效率。
图1. [110]-GaAs超表面中双光子的双光子干涉
紧接着，研究人员制备了两种类型的[110]-GaAs QOMs，即QOM-A和QOM-B，分别在1588 nm和1579 nm处具有ED-qBIC和MD-qBIC（图2a-b）。研究人员将[001]-GaAs和[110]-GaAs超表面中的SHG光谱进行对比，结果显示，[110]-GaAs超表面中的SHG效率提高了8倍（图2c），主要是因为[001]-GaAs超表面中低Q值面内米氏模式的响应比[110]-GaAs超表面弱得多。
图2. GaAs超表面的白光透射和SHG光谱
进一步，研究人员开始进行SPDC以及双光子干涉的相关验证。首先测量了在5 mW的泵浦功率下，经过10分钟后来自QOM-A以及QOM-B的SPDC的直方图（图3a-b）。研究人员后续通过飞行时间质谱检查发射光谱（图3c-d）证实了图中的峰值来源于超表面的共振行为。最后还研究了QOM-A以及QOM-B中SPDC的功率依赖性（图3e-f）。
图3. QOM-A和QOM-B中SPDC的表征
尽管两个SPDC过程在相同的光谱范围内发射双光子（即光谱上不可区分），但双光子仍然可以通过他们的偏振状态来区分。因此，研究人员分析了不同滤波偏振角下通过QOM-A测量的SPDC光谱（图4）。当qBIC与面内米氏共振的贡献相当时，可以在光谱中出现明显的法诺轮廓（图4c），这是由两个不同SPDC源发射的双光子之间的双光子干涉引起的。
图4. 不可区分双光子的SPDC光谱中的法诺轮廓
总结与展望
本文中，研究人员设计并制备了[110]取向GaAs量子光学超表面，其SPDC速率较此前同类超表面提高一个数量级以上。通过线性偏振器消除高Q值准连续域束缚态与低Q值米氏共振产生的双光子的可区分性，首次观察到双光子干涉的法诺轮廓，展现出该超表面作为量子光子学强大平台的潜力。
然而，[110]-GaAs超表面虽前景广阔，但仍面临光致发光干扰等挑战。研究人员建议可以探索更高能带的非线性材料，如AlGaAs、GaP等，以进一步提升性能，推动其在量子成像等光子量子技术中的实际应用。（来源：LightScienceApplications微信公众号）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01998-5
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