引言

在量子科技飞速发展的今天，如何在芯片上高效地产生和操控量子纠缠光子对，成为了科学家们关注的焦点。近日，美国加州理工学院T. J. Watson实验室联合多个研究团队成功实现了在硅氮化物（Si₃N₄）微共振器中高效的自发参量下转换（SPDC），并展示了其在量子芯片上的应用潜力。这一成果不仅突破了传统材料限制，实现了高亮度、窄带宽的纠缠光子对生成，还为量子通信和量子计算中的光子集成提供了新的技术路径。相关成果以《Down-converted photon pairs in a high-Q silicon nitride microresonator》为题，于2025年3月27日发表在国际顶级学术期刊《自然》上。

硅氮化物（Si₃N₄）是一种在光子集成领域备受青睐的材料。它具有超低的波导损耗，这对于量子态在芯片上的传输至关重要。然而，由于其非晶态结构，Si₃N₄本身缺乏固有的二阶非线性（χ⁽²⁾），这限制了它在光子量子器件中的应用。但科学家们并没有因此放弃，他们通过巧妙的设计和实验，成功地在Si₃N₄微共振器中实现了高效的SPDC过程。

第一章 如何实现高效的SPDC？

研究人员利用高光学Q值微腔中的强光场增强效应，结合光诱导的空间电荷场，实现了Si₃N₄中的SPDC。他们通过全光极化（all-optical poling）技术，在Si₃N₄微共振器中写入了周期性的空间电荷分布，从而诱导出有效的χ⁽²⁾，并实现了准相位匹配。这一过程不仅避免了复杂的光刻工艺，还大大提高了光子对的生成效率。

图1 上图为利用1560nm的近红外光通过全光极化技术在谐振腔中写入周期性电荷分布，下图为利用780nm的泵浦光通过SPDC过程产生纠缠光子对。

在实验中，研究人员使用780纳米的泵浦光进入微共振器，通过SPDC过程产生了1560纳米的纠缠光子对。由于微共振器的高Q值，泵浦光和SPDC光在腔内共振增强，使得即使在相对较弱的χ⁽²⁾下，也能实现高达每秒80万对光子的生成率。这一生成率在仅1.5毫瓦的片上泵浦功率下就能实现，这对于实际应用来说是非常经济高效的。

第二章 窄带宽光子对：量子应用的关键

除了高生成率，这些光子对还具有窄带宽的特点。这对于量子存储、量子纠缠交换等应用来说至关重要。因为窄带宽意味着光子对的能量分布更加集中，能够更好地与原子或固态量子系统相互作用，从而提高量子态的保真度和干涉可见度。

研究人员通过精确控制微共振器的温度，实现了从简并（degenerate）到非简并（non-degenerate）的光子对生成。简并光子对是指信号光子和闲置光子具有相同的频率，而非简并光子对则具有不同的频率。这种灵活性使得该系统能够适应不同的量子应用需求。

第三章 量子特性的验证

图2 左图为通过自相关测量简并 SPDC 情况的g⁽²⁾，右图为通过自相关测量非简并 SPDC 情况的g⁽²⁾。

为了验证这些下转换光子对的量子特性，研究人员进行了二阶相关测量（g⁽²⁾测量）。他们使用超导纳米线单光子探测器（SNSPDs）检测光子，并通过测量两个光子在不同时间延迟下的符合率，得到了g⁽²⁾曲线。在简并和非简并两种情况下，测量得到的g⁽²⁾值均远大于1，这表明光子对具有明显的量子纠缠特性。

第四章 未来展望：集成量子系统的潜力

这项研究不仅在实验上取得了突破，还为未来的集成量子系统提供了新的思路。由于Si₃N₄材料的优异性能，这种基于SPDC的光子对源可以与现有的光子器件（如III-V族半导体激光器）进行异质集成，从而实现更加复杂和高效的量子芯片功能。

此外，研究人员还发现，通过同时泵浦近红外光和可见光，可以有效地“刷新”空间电荷分布，从而维持系统的长期稳定运行。这一特性使得该系统在实际应用中具有更强的可行性和可靠性。

终章 结语

硅氮化物微共振器中的高效SPDC过程，为量子芯片的研发带来了新的希望。它不仅解决了Si₃N₄材料缺乏固有χ⁽²⁾的问题，还实现了高亮度、窄带宽的纠缠光子对生成。这一成果不仅在基础研究中具有重要意义，更为未来的量子通信、量子计算和量子网络等应用奠定了坚实的基础。随着技术的不断进步，我们有理由相信，量子科技将在不久的将来走进我们的生活，带来前所未有的变革。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08662-3

撰稿｜潘一洋

指导丨刘玉龙