新加坡国立大学(NUS)的科学家证明，激子共振和激子之间的跃迁可以显著提高产生纠缠光子对的效率。这可能导致开发高效的超薄量子光源。

超薄量子光源科学家证明激子相互作用可提高纠缠光子产生的效率

量子纠缠是许多量子技术的基石。简单来说，它描述的是两个量子粒子的属性即使相距很远，也会相互联系的现象。

纠缠光子是无质量的光粒子，通常通过自发参量下转换 (SPDC) 过程将光 (称为“泵浦”光束) 照射到某些类型的晶体(称为非线性光学晶体)上来产生。然而，SPDC 本质上是一种效率相当低的过程。

由新加坡国立大学物理系副教授 Su Ying Quek 领导的研究小组表明，通过利用非线性光学晶体中存在的多体激子相互作用可以提高 SPDC 的效率。

这些激子相互作用发生在光与晶体相互作用时产生的负电荷和正电荷之间。这些相反电荷对被称为激子，它们来自晶体的基本激发。研究小组表明，当这些电荷靠得更近时，SPDC 效率会显著提高，具体取决于光的能量或频率。

该研究成果发表在《物理评论快报》杂志上。

这些预测是使用完全量子力学计算来分析晶体对入射光的非线性光学响应并解释激子效应。

这项研究的第一作者玄峰源博士解释说：“SPDC 本质上是一个非线性光学过程，涉及晶体中基本激发之间的跃迁。当晶体中激发产生的相反电荷彼此更接近时，这些跃迁的概率就会增加。

“当我们的结果与忽略负电荷和正电荷之间相互作用的更传统的治疗方法进行比较时，这种效果是显而易见的。”

Quek 教授表示：“使用超薄晶体可以消除SPDC 面临的技术挑战，即相位匹配问题。尽管人们通常避免在 SPDC 中使用超薄晶体，因为人们认为它们的效率会随着材料体积的增大而降低，但这些超薄晶体中更强的激子相互作用可以减轻这种影响。这使得超薄晶体成为产生纠缠光子的可行来源。”

该团队将理论方法应用于 NbOI 2(一种分层非线性光学材料)，以研究 SPDC 和二次谐波产生 (SHG)，即 SPDC 的逆过程。他们根据入射光的偏振角模拟了 SHG 强度，发现这些模拟与之前发表的实验结果非常吻合。

他们还发现，当“泵浦”光束的频率与晶体中的激发频率紧密匹配时，激子增强尤其强烈。此外，如果其中一个纠缠光子的频率与晶体中的另一个激发频率匹配，SPDC 可以进一步增强。

郭教授补充道：“这些发现为利用超薄材料产生纠缠光子铺平了道路，这些光子可以更容易地集成到下一代设备的混合量子光子平台中。