导读

近日，以色列理工学院团队提出了基于非线性纳米光子平台的高维量子态制备方案。研究团队利用纳米光子器件表面的三阶非线性效应，通过泵浦光偏振调控，将携带总角动量的近场模式及其叠加态转化为远场中编码自旋角动量与轨道角动量的光子态，为片上高维量子器件的开发提供了新思路。该研究成果发表于国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Nonlinear Nanophotonics for High-Dimensional Quantum States”，以色列理工学院Liat Nemirovsky-Levy与Amit Kam为论文共同第一作者，Mordechai Segev为论文通讯作者。

研究背景

高维量子态的生成与操控在量子通信、量子计算及量子传感领域至关重要，纳米光子平台因具备强光场约束能力和良好集成性，成为实现这一目标的理想载体。然而，基于体块光学装置的高维量子态生成方案体积庞大、稳定性差，难以满足小型化应用需求。基于光纤系统的时间编码方案虽有一定进展，但可扩展性不足。集成光子平台的方案多依赖波导阵列或微环谐振器，常需复杂的干涉稳定设计，且纠缠光子产率较低，难以兼顾高集成性、高可控性与高生成效率。

此外，当前纳米光子平台上高维量子态的研究中，在亚波长尺度下对量子态进行外部精准调控的手段不足，虽非线性光学可提供额外相互作用机制，但将这类非线性技术有效集成到纳米光子平台的难度较大，缺乏成熟的实现路径；另一方面，纳米光子平台虽能增强非线性参数过程，但如何将这一优势转化为更高的纠缠光子生成率，以及如何高效将特定量子态耦合到自由空间用于测量和应用，仍是亟待解决的关键难题，制约了基于该平台的高维量子器件实用化进程。

创新研究

为了解决上述问题，研究团队创新性地提出利用纳米光子器件表面三阶非线性效应制备高维量子态的方案（如图1概念示意）。该方案通过泵浦光偏振调控，将携带总角动量的近场模式及其叠加态直接转化为远场中编码自旋角动量与轨道角动量的光子态，突破了传统集成光子平台制备高维量子态依赖复杂干涉稳定设计的局限，成功实现高维量子态的片上紧凑化生成，同时保障了量子态的良好可控性，解决了传统方案体积大、稳定性差的问题。

图1：高维量子态片上制备概念示意图。

研究团队开发出基于近场与远场模式转化的量子态调控技术（如图2模式特性展示）。通过精准设计纳米光子器件的几何结构与光学参数，强化了亚波长尺度下的非线性相互作用，首次实现无需额外辅助调控模块的高维量子态灵活操控，有效解决了传统纳米光子平台对量子态外部调控手段不足的核心难题。该技术还显著提升了量子态的可扩展性，为高维量子器件的集成化开发提供了关键技术支撑。

图2：量子态模式特性与调控效果展示图。

研究人员还进一步优化了纳米光子器件制备工艺与量子态耦合结构设计（如图3实验结果展示）。通过精细调控器件的材料组分与表面形貌，大幅提升了非线性参数过程的效率，有效改善了集成光子平台普遍存在的纠缠光子产率较低的问题；同时设计的高效模式耦合结构，实现了高维量子态从片上到自由空间的高效输出，解决了量子态难以高效耦合用于后续测量和实际应用的关键瓶颈，有力推动了基于纳米光子平台的高维量子器件实用化进程。

图3：高维量子态制备实验结果图。

总结与展望

该研究围绕纳米光子平台上高维量子态的制备与应用展开系统性探索，取得了多项关键突破。研究团队通过非线性效应介导近场与远场模式转化，成功实现高维量子态的片上紧凑化生成与灵活操控，同时解决了传统方案体积大、稳定性差、调控手段不足及纠缠光子产率低等核心问题。这些成果不仅深化了对亚波长尺度下非线性量子光学过程的理解，更为高集成度、高性能高维量子器件的开发奠定了坚实基础，具有重要的学术价值与应用前景。

展望未来，该研究方向仍有进一步拓展的空间。一方面，可继续优化器件制备工艺与量子态调控精度，探索更多维度量子态的片上生成与集成，推动量子态在更复杂场景下的稳定应用；另一方面，可尝试将该技术与量子通信、量子计算等实际系统相结合，开发兼具高性能与实用性的量子功能器件。相信随着研究的深入，非线性纳米光子学将在高维量子信息领域发挥更重要的作用，为相关技术的产业化进程提供有力支撑。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-02179-0