量子光學領域重大突破：超表面體系中光子對法諾干涉現象的首次觀測

    在量子信息處理、量子網絡、量子成像及量子傳感等前沿量子技術領域，量子干涉是推動技術迭代與性能提升的核心驅動力，而糾纏雙光子的高效可控生成則是實現上述技術落地的核心基礎。此前，量子光學超表面（QuantumOpticalMetasurfaces,QOMs）因具備相位匹配條件寬松的獨特優勢，被學界視為支撐多通道雙光子同步生成的理想平臺。然而，受限于自發參量下轉換（SpontaneousParametricDown-Conversion,SPDC，一種生成糾纏雙光子的關鍵非線性光學過程）效率偏低的問題，QOMs的雙光子生成能力不僅受限，量子干涉現象更從未在該體系中被觀測到——這一技術瓶頸長期制約著超表面在量子光子學領域的應用拓展。

    近日，美國桑迪亞國家實驗室的JihoNoh（第一作者）與IgalBrener（通信作者）團隊在國際頂尖學術期刊《Light:Science&Applications》發表重磅研究成果。該團隊通過設計基于[110]取向砷化鎵（GaAs）的量子光學超表面，將SPDC效率提升近一個數量級，并在雙光子光譜中首次捕捉到以法諾形式呈現的雙光子干涉現象。此項研究不僅豐富了糾纏光子的生成路徑，更為量子技術的集成化、小型化發展提供了更具潛力的核心平臺支撐。

    核心突破：晶體取向優化與SPDC效率瓶頸的破解

    在過往QOMs相關研究中，學界多采用[001]取向的GaAs作為核心材料。但該團隊通過系統分析發現，[001]取向的晶體結構會導致“面內米氏模式”與“非線性張量”的重疊積分顯著不足——具體而言，超表面中負責增強非線性光學效應的面內米氏模式，與驅動SPDC過程的非線性張量難以形成有效耦合，最終導致面內米氏模式對SPDC過程的貢獻顯著受限，雙光子生成效率始終處于較低水平。

    為突破這一技術瓶頸，研究團隊創新性地采用[110]取向的GaAs晶體構建超表面，核心優化路徑如下：

    1.結構設計與微觀表征：團隊首先完成基于[110]取向GaAs晶片的超表面制備，并通過掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope,SEM）清晰表征其微觀結構（圖1b）。該取向的晶體結構可顯著增強兩種關鍵共振機制的貢獻：一是米氏型共振（經典光散射增強機制），二是準連續域束縛態（quasi-BoundStatesintheContinuum,qBIC，一種高品質因子（Q值）共振，可顯著增強光與物質的相互作用強度）。上述兩種共振機制的協同作用，成為驅動SPDC效率提升的核心物理基礎。

    2.效率驗證：二次諧波生成（SHG）的量化提升：為直觀驗證[110]取向的優勢，團隊通過對比實驗分析[001]與[110]取向GaAs超表面的二次諧波生成（SecondHarmonicGeneration,SHG）效率——由于SHG是SPDC的經典逆過程，其效率水平可間接反映SPDC過程的潛力。實驗結果顯示，[110]取向GaAs超表面的SHG效率較[001]取向提升8倍（圖2c）；其中，兩款定制化QOM（QOM-A與QOM-B，分別對應電偶極子準連續域束縛態（ED-qBIC）與磁偶極子準連續域束縛態（MD-qBIC）共振）的局部效率提升幅度更達34.3倍。該組數據直接證實，[110]取向有效解決了[001]取向的“模式-張量耦合失衡”問題，為SPDC效率的突破奠定了關鍵基礎。

    關鍵實驗驗證：雙光子生成特性表征與法諾干涉現象的捕獲

    在突破SPDC效率瓶頸后，研究團隊通過多維度實驗完成雙光子生成特性的定量表征，并最終實現法諾干涉現象的觀測，具體實驗路徑如下：

    1.SPDC過程的定量表征：團隊在5mW泵浦功率條件下，對QOM-A與QOM-B分別開展了時長10分鐘的SPDC信號采集實驗。通過符合計數直方圖清晰記錄了雙光子的到達時間差分布，證實了雙光子的穩定生成；隨后，借助飛行時間質譜技術（圖3c-d）進一步驗證，實驗中觀測到的信號峰值來源于超表面的共振行為，而非背景噪聲或其他干擾因素；最后，通過功率依賴性實驗（圖3e-f）發現，SPDC信號強度與泵浦功率呈線性關系，完全符合量子光源的核心特征，為后續干涉實驗的開展提供了可靠的光源基礎。

    2.法諾干涉的觀測：偏振可區分性的消除與共振協同作用：盡管QOM-A與QOM-B生成的雙光子在光譜范圍內完全重疊（即“光譜不可區分”），但其偏振狀態存在顯著差異——這種“偏振可區分性”會直接掩蓋雙光子間的量子干涉效應。為此，團隊通過線性偏振器調控濾波偏振角，逐步消除雙光子的偏振差異，實現雙光子在偏振維度的“不可區分性”。

    當偏振可區分性被完全消除，且qBIC共振與面內米氏共振對SPDC過程的貢獻達到平衡時，團隊在雙光子光譜中觀測到清晰的非對稱法諾輪廓。該輪廓是來自兩個不同SPDC源（qBIC共振源與米氏共振源）發射的雙光子發生量子干涉的直接實驗證據——這也是學界首次在超表面體系中觀測到雙光子的法諾干涉現象。

    研究總結與未來展望：量子技術集成化發展的新路徑

    此項研究的核心學術價值與技術意義體現在兩方面：其一，通過[110]取向GaAs晶體的結構設計，將超表面的SPDC速率提升一個數量級，從根本上解決了長期制約超表面在量子領域應用的效率瓶頸；其二，首次在超表面體系中觀測到雙光子的法諾干涉，為超表面調控量子態提供了新的物理機制與技術路徑。

    需注意的是，[110]取向GaAs超表面仍面臨待解決的技術挑戰——光致發光干擾問題仍需優化，該干擾可能降低量子信號的純度與穩定性，對后續量子技術的實際應用形成制約。對此，研究團隊提出明確優化方向：未來可探索更高能帶的非線性材料（如鋁鎵砷（AlGaAs）、磷化鎵（GaP）等），進一步提升超表面的光學性能與量子信號質量。

    隨著SPDC效率的突破與量子干涉機制的發現，[110]取向GaAs超表面有望成為集成化量子光源的核心載體，為量子成像、量子加密通信、量子傳感等技術的小型化、低成本化與實用化發展提供關鍵支撐。正如團隊在論文中指出，此項成果“推動超表面在量子光子學領域的應用從理論探索階段邁向實驗驗證與技術落地階段”，為量子技術的集成化發展開辟了新路徑。