自發參量下轉換（SPDC）是量子物理和技術中產生糾纏光子的關鍵方法，傳統上僅限於固體材料。然而，位於斯洛維尼亞盧布爾雅那的馬克斯-普朗克光科學研究所（MPL）和約瑟夫-斯特凡研究所的研究人員最近實現了一項突破，首次在液晶中展示了SPDC。他們的研究成果發表在《自然》（Nature）雜誌上，為開發既高效又可透過電場調諧的新一代量子源創造了可能。

馬克斯-普朗克光科學研究所產生光子對的研究裝置。圖片來源：Tanya Chekhova

將單光子一分為二是量子光子學中最有用的工具之一。它可以產生糾纏光子對、單光子、擠壓光以及對光量子技術至關重要的更複雜的光狀態。這個過程被稱為自發參量下轉換（SPDC）。

馬克斯-普朗克光科學研究所”量子輻射”研究組組長Maria Chekhova 教授在她的實驗室。圖片來源：Tanya Chekhova

SPDC 與中心對稱關係密切。中心對稱是指相對於某一點的對稱性，例如，正方形是中心對稱的，而​​三角形則不是。 SPDC 的本質是將一個光子一分為二，它打破了中心對稱。因此，只有在基本單元是中心不對稱的晶體中才可能發生SPDC。 SPDC 不可能發生在普通液體或氣體中，因為這些物質是各向同性的。

然而，最近研究人員發現了具有不同結構的液晶，即所謂的鐵電向列液晶。儘管這些材料是流動的，但卻具有強烈的中心對稱破缺特徵。它們的分子細長、不對稱，最重要的是，它們可以在外部電場的作用下重新定向。分子的重新定向會改變所產生的光子對的偏振以及產生率。如果包裝得當，這種材料的樣品可以成為一種非常有用的裝置，因為它可以有效地產生光子對，可以輕鬆地用電場進行調節，還可以整合到更複雜的裝置中。

馬克斯-普朗克光科學研究所的研究人員利用約瑟夫-斯特凡研究所（斯洛維尼亞盧布爾雅那）從默克電子公司合成的鐵電向列液晶中製備的樣品，首次在液晶中實現了SPDC。糾纏光子的生成效率與厚度相近的最佳非線性晶體（如鈮酸鋰）一樣高。只要施加幾伏特的電場，他們就能開關光子對的產生，並改變這些光子對的偏振特性。這項發現開創​​了新一代量子光源：靈活、可調、高效。

編譯自/ ScitechDaily