Narrowband and high-rate entangled photon-pair generation from a high-Q silicon microring resonator

为了构建一个从根本上安全的未来互联网，科学家们正转向量子力学的奇特规则。这项技术的核心是被称为光子（photons）的纠缠光子对。当两个光子发生纠缠时，它们之间会存在一种深层的联系，无论相隔多远，其中一个的状态都会瞬间影响另一个。这种现象是量子通信的引擎，它允许以理论上无法在不被察觉的情况下被拦截的方式传输信息。然而，为了让这些量子网络能够在长距离范围内工作，光粒子必须存储在被称为量子存储器（quantum memories）的特殊材料中。这些存储器就像微型保险库，但它们非常挑剔：只能容纳以非常特定、窄频速度振动的光。如果光太宽或“噪声”太大，存储器就无法捕捉它。此外，为了构建实用的网络，这些光源必须能够非常快速地产生纠缠对。多年来，研究人员一直面临着一个艰难的权衡：他们要么可以制造出产生光极其精确但速度极慢的源，要么可以制造出速度很快但过于宽泛以至于无法存储的光源。

NTT基础研究实验室和北海道大学的研究团队现在找到了一种利用微小的硅环来打破这一僵局的方法。他们成功创建了一个设备，能在保持光波足够窄以供量子存储器存储的同时，高速产生纠缠光子对。他们成功的关键不在于新材料或复杂的化学工艺，而在于对标准硅芯片进行的巧妙重新设计。通过仔细调整芯片上微型环的大小和形状，他们成功平滑了光传播的路径，减少了通常会破坏光束质量的散射。这使他们能够仅使用目前制造计算机处理器所用的标准制造工具，就达到了一项创纪录的性能水平。

他们制造的设备是一个硅微环谐振器（silicon microring resonator），本质上是一个只有几十微米宽的微型圆形轨道。当光被泵入这个环时，它会多次循环，从而积累强度。这个过程被称为自发四波混频（spontaneous four-wave mixing），它将输入的 light 分裂成成对的新光子，且这些光子是纠缠的。在以往的硅器件中，这些微型环的边缘在原子水平上是粗糙的，导致光发生散射并损失能量。这种散射使得很难将光限制在极窄的范围内。研究人员意识到，通过将环做得更宽、半径更大，可以将光波推离粗糙的边缘，进入更平滑的波导中心。他们测试了不同尺寸的环，发现半径为 40 微米、宽度为 1.5 微米的环提供了最佳的平衡。这种特定的几何结构最小化了光与粗糙侧壁之间的相互作用，使光能够以极低的损耗进行循环。

这些优化结果令人瞩目。团队测得的内在品质因子（intrinsic quality factor，一个描述环捕获光能力的数值）为 126 万。这是此类硅基光源中报道过的最高值之一。由于光被有效地捕获，该设备可以产生每秒 919 万对纠缠光子对。更重要的是，产生的光具有极窄的带宽，约为 300 兆赫兹（MHz）。这种窄带宽至关重要，因为它匹配了固态量子存储器（如掺铒晶体）的存储能力，这些存储器被用于保存量子信息。研究人员通过进行一项实验确认了光的纠缠性：他们将光子对拆分并送入不同的路径，当重新组合路径时，光子相互干涉，证明了它们的关联性，显示出 98% 的可见度。这种高可见度表明纠缠质量极高，适用于实际应用。

该研究还解决了硅光子学中的一个常见问题：即当光变得过亮时，器件效率下降的问题。在高功率水平下，硅本身会吸收部分光并产生自由电子，进而吸收更多光，导致信号饱和。研究人员观察到了这种饱和效应，并证实这是由硅材料本身引起的，而非探测器的缺陷。尽管存在这种物理极限，他们的设备仍能产生 22.0 MHz/GHz 的亮度系数（brightness coefficient，衡量每单位带宽产生的有用光子对数量的指标）。这一性能超过了以往硅器件的记录，并足以媲美由其他材料制成的更复杂的系统。这项工作的意义在于其简洁性；团队在没有任何特殊后处理步骤或奇异制造技术的情况下实现了这些结果。他们使用的是标准的电子束光刻和蚀刻技术，即目前用于大规模生产计算机芯片的方法。

这一成就表明，通往可扩展量子互联网的道路可能由驱动我们当前数字世界的同类硅技术铺就。通过证明可以在标准硅芯片上产生高速、窄带的纠缠光，研究人员消除了将量子中继器集成到现有基础设施中的主要障碍。量子中继器对于延长量子通信的范围至关重要，它们充当在长距离内刷新信号的站点。为了让这些中继器工作，它们需要一个既快又窄的光源，而这正是这种新型硅环所提供的。这项工作证明，速度与精度之间的权衡并非不可打破的物理定律，而是一个可以通过智能工程解决的设计挑战。正如团队所言，通过改进芯片几何结构以控制光的扩散，未来还有进一步提升的空间，但目前的结果已经为标准硅光子学树立了新的标杆。量子网络的路径现在看起来更加清晰，它是建立在一个经过优化的简单硅环基础之上的。