中国科大合作研究首次实现基于新型二维材料非线性的量子光源

CTOnews.com 1 月 7 日消息，小型化、集成化是解决空间光学量子系统稳定性差、不可扩展等问题的理想方案，也是光学量子计算、量子通讯等走向大规模和实用化的必经之路。量子光源作为量子光学系统必不可缺的部分，其小型化一直是人们研究的重点。

据中国科学技术大学官方消息，该校郭光灿院士团队任希锋教授等与新加坡国立大学教授仇成伟、博士郭强兵等合作，在二维材料非线性量子光源研究中取得重要突破。

CTOnews.com了解到，相关研究成果已于 1 月 4 日发表于《自然》杂志上，DOI 41586-022-05393-7。

据介绍，任希锋前期与南京大学等单位合作，将超构表面引入到量子信息领域，集成超构透镜阵列与非线性光学晶体，实现了 100 路径参量下转换，制备了超高维量子纠缠态和多光子源。

为了进一步提高量子光源的集成化程度，任希锋与新加坡国立大学等单位的合作者一起，首次利用新型二维材料 NbOCl₂ 的非线性过程实现了超薄的量子光源，厚度可低至 46nm。

这种新型 NbOCl₂ 材料不仅具有常见单层二维材料所特有的高二阶非线性系数，更重要的是它的层间电子耦合弱并且空间结构非对称。这种特性使得它的二阶非线性信号强度会随着二维材料的层数的增加而增加，可超过单层二维材料 WS₂ 倍频强度两个数量级以上。

研究人员对多层 NbOCl₂ 二维材料的自发参量下转换过程进行了测试，证明该过程产生了非经典关联的光子对。此外，他们还对参量光信号强度随二维材料厚度的变化关系进行了测量，实验结果和理论预期完全吻合。

值得注意的是，实验中证实厚度低至 46 nm 的该材料也能制备量子光源，这是目前国际报道的最薄的非线性量子光源。这项研究不仅为光学量子信息研究提供了一种可集成的量子光源，也为二维材料的非线性研究开辟了一个新的方向。