在马克斯·普朗克光科学研究所（Max Planck Institute for the Science of Light）中设置光子对的生成。图片来源：Tanya Chekhova

自发参量下变频（SPDC）作为纠缠光子的来源，对量子物理学和量子技术非常感兴趣，但到目前为止，它只能在固体中实现。

斯洛文尼亚卢布尔雅那马克斯·普朗克光科学研究所（MPL）和约瑟夫·斯特凡研究所的研究人员首次在液晶中证明了SPDC。该研究结果发表在《自然》杂志上，为新一代量子源开辟了一条道路：高效且电场可调。

将单个光子一分为二是量子光子学中最有用的工具之一。它可以产生纠缠光子对、单光子、压缩光，甚至更复杂的光状态，这些都是光量子技术所必需的。这个过程被称为自发参数下变频 （SPDC）。

SPDC与中心对称性密切相关。这是相对于点的对称性，例如，正方形是中心对称的，而三角形不是。就其本质而言，SPDC将一个光子一分为二，打破了中心对称性。因此，它只存在于基本单元中心不对称的晶体中。SPDC不会发生在普通液体或气体中，因为这些材料是各向同性的。

玛丽亚·契诃娃教授，马克斯·普朗克光科学研究所实验室“量子辐射”研究小组负责人。图片来源：Tanya Chekhova

然而，最近，研究人员发现了具有不同结构的液晶，即所谓的铁电向列液晶。尽管是流体材料，但这些材料具有强烈的中心对称性破坏。它们的分子是细长的、不对称的，最重要的是，它们可以通过外部电场重新定向。

分子的重新定向会改变生成的光子对的偏振以及生成速率。如果包装得当，这种材料的样品可以成为一种非常有用的设备，因为它可以有效地产生光子对，可以很容易地用电场进行调谐，并且可以集成到更复杂的设备中。

马克斯-普朗克光科学研究所的研究人员利用约瑟夫·斯特凡研究所（斯洛文尼亚卢布尔雅那）从默克电子公司合成的铁电向列液晶中制备的样品，首次在液晶中实施了SPDC。

纠缠光子的产生效率与厚度相似的最佳非线性晶体（如铌酸锂）一样高。通过施加几伏特的电场，他们能够打开和关闭光子对的产生，并改变这些光子对的极化特性。这一发现开启了新一代量子光源的诞生：灵活、可调和高效。

更多信息：Vitaliy Sultanov 等人，液晶中可调谐纠缠光子对的生成，Nature （2024）。DOI： 10.1038/s41586-024-07543-5

期刊信息： Nature