“最薄”非線性量子光源首次實現

NbOCl2晶體的結構測試，單層厚度約0.65納米 中國科大供圖

小型化、集成化是解決空間光學量子系統穩定性差、不可擴展等問題的理想方案，也是光學量子計算、量子通訊等走向大規模和實用化的必經之路。量子光源作為量子光學系統必不可缺的部分，其小型化一直是人們研究的重點。任希鋒前期與南京大學等單位合作，將超構表面引入到量子信息領域，集成超構透鏡陣列與非線性光學晶體，實現了100路徑參量下轉換，制備了超高維量子糾纏態和多光子源。

二維材料的層內晶體結構穩定，而原子層間的相互作用力要弱很多。基于這種特性，單層二維材料可以在保持原子尺度厚度的同時也保持物理性質的穩定，使得二維材料可以穩定且靈活地與各種微納尺度光學器件直接耦合，因此被廣泛應用在集成光子芯片的各個重要組成部分之中。常見的二維材料（WS2、WSe2等）雖然具有很大的二階非線性系數，但是單層厚度太薄（<1納米），從而導致整體產生的非線性信號強度很低。如果增加材料的層數，又會由于多層堆疊造成的空間對稱性使得二階非線性過程減弱甚至消失。

此次研究中，合作者們采用了一種新型NbOCl2材料，它不僅具有常見單層二維材料所特有的高二階非線性系數，更重要的是它的層間電子耦合弱并且空間結構非對稱。這種特性使得它的二階非線性信號強度會隨著二維材料層數的增加而增加，可超過單層二維材料WS2倍頻強度兩個數量級以上。

合作者們進一步測試了多層NbOCl2二維材料的自發參量下轉換過程。實驗中采用404納米波長的連續激光器泵浦二維材料，收集下轉換過程所產生的808納米附近波長參量光。二階關聯函數g（2）測試結果遠遠超過2，證明該過程產生了非經典關聯的光子對。合作者們也對參量光信號強度隨二維材料厚度的變化關系進行了測量，實驗結果和理論預期完全吻合。

研究人員認為，該研究不僅為光學量子信息研究提供了一種可集成的量子光源，也為二維材料的非線性研究開辟了一個新的方向。