集成 SiC 平台中纠缠光子对生成的图示。经典泵浦激光器在微环谐振器内经历转换过程，从而产生两个纠缠光子。这一突破为在SiC上实现量子信息处理的可扩展实施带来了巨大的希望。图片来源：Light： Science & Applications （2024）。DOI： 10.1038/s41377-024-01443-z

量子信息科学确实令人着迷——成对的微小粒子可以纠缠在一起，因此即使它们在物理上是分开的，对任何一个粒子的操作都会影响它们。一个看似神奇的过程称为隐形传态，可以在不同的遥远量子系统之间共享信息。

这些不同的系统可以使用量子过程耦合以形成量子通信网络。安全通信、分布式量子计算和量子传感只是其中的一些显著的潜在应用。

经过三十多年的量子 2.0 时期——量子研发时期，涵盖了量子设备、系统和协议的开发，以生成和使用量子纠缠——绝大多数实验都需要笨重的光学器件和专门的对准方案，通常跨越大型专用光学台，这些光学台是气动浮动的，以避免最微小的机械振动。

与小型化硅集成电子产品大致相同的方式，使计算机处理器从电容器、管子和磁铁的大型房间规模组件演变为包含数百万个组件的微小但强大的微芯片，我们的现代和“智能”技术基于这些组件;量子组件和过程需要使用集成光学器件实现小型化，为量子信息科学的大规模部署和使用铺平道路，超越实验室规模的实验，走向现实生活中的应用。

碳化硅 （SiC） 是集成工艺的领先平台，近年来通过将其用于电动汽车等绿色技术的集成电子系统而获得动力。该应用显著提高了碳化硅晶圆的质量，碳化硅晶圆是创建集成器件的基本格式。

在量子科学领域，SiC已成为集成量子光子学（IQP）的一种有前途的材料，克服了硅等其他材料的可扩展性问题。碳化硅的独特特性使其成为集成量子光学工艺的理想选择，但在利用其全部潜力方面仍然存在挑战。最近在碳化硅微芯片上产生纠缠光子的突破标志着朝着释放其实际量子应用能力迈出了重要一步。

在发表在《光：科学与应用》上的一篇新论文中，位于马里兰州盖瑟斯堡的国家标准与技术研究所（NIST）和宾夕法尼亚州匹兹堡卡内基梅隆大学的科学家报告了芯片级纠缠光子源在SiC中的首次演示。

该器件通过称为自发四波混频 （SFWM） 的高阶非线性过程实现，该过程使用图案化在绝缘体上 4H-SiC 平台上的集成光学微环谐振器。

该实验的设计使得光子对（信号和闲置器）处于电信波长，非常适合在光纤中传输（这对量子通信和量子网络很重要），并且以这样的方式产生时间和能量纠缠（称为时间-能量纠缠）。研究人员报告说产生了高质量和高纯度的纠缠光子对。

这些研究人员总结了新器件的特点，指出：“我们的结果，包括片上光子对速率（9± 1）×10的最大符合率>6003成对/秒，泵浦功率为 0.17 mW，这是公认的????(2)（0） 10 个量级-3，双光子干涉条纹的可见度超过99%，明确表明基于SiC的集成器件可用于芯片级量子信息处理。此外，这些结果与从更成熟的集成光子平台（如硅）获得的结果相当。

“我们相信，我们的研究为4H-SiC绝缘体平台在量子应用中的竞争力提供了强有力的支持。例如，所展示的纠缠光子源可以很容易地部署在光纤网络中，用于量子通信。

“此外，通过将惰光子的波长与SiC中发现的各种色中心的零声子线对齐，我们可以在信号光子和自旋态之间产生纠缠。这种波长对准过程也可以通过芯片级色散工程或频率转换来集成和实现，“他们补充道。

基于SiC的集成光学器件的未来无疑是充满希望的，因为研究人员指出，“所有这些可能性都指向了基于SiC的量子光子学的光明未来，因为它能够将多种芯片级量子光子和电学过程与各种应用的色彩中心集成在一起。

更多信息：Anouar Rahmouni 等人，集成 SiC 平台中的纠缠光子对生成，光：科学与应用 （2024）。DOI： 10.1038/s41377-024-01443-z

期刊信息： Light： Science & Applications