Resonant metasurfaces for generating complex quantum states

物理 光子 量子态 光子学 量子 量子光学 简并能级 自发参量下转换 量子技术 四波混频 量子成像 量子力学 量子网络 非线性光学 量子纠缠 非线性系统 开放量子系统
作者
Tomás Santiago‐Cruz,Sylvain D. Gennaro,Oleg Mitrofanov,Sadhvikas Addamane,John L. Reno,Igal Brener,Maria V. Chekhova
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:377 (6609): 991-995 被引量:273
标识
DOI:10.1126/science.abq8684
摘要

Quantum state engineering, the cornerstone of quantum photonic technologies, mainly relies on spontaneous parametric downconversion and four-wave mixing, where one or two pump photons spontaneously decay into a photon pair. Both of these nonlinear effects require momentum conservation for the participating photons, which strongly limits the versatility of the resulting quantum states. Nonlinear metasurfaces have subwavelength thickness and allow the relaxation of this constraint; when combined with resonances, they greatly expand the possibilities of quantum state engineering. Here, we generated entangled photons via spontaneous parametric downconversion in semiconductor metasurfaces with high-quality factor, quasi-bound state in the continuum resonances. By enhancing the quantum vacuum field, our metasurfaces boost the emission of nondegenerate entangled photons within multiple narrow resonance bands and over a wide spectral range. A single resonance or several resonances in the same sample, pumped at multiple wavelengths, can generate multifrequency quantum states, including cluster states. These features reveal metasurfaces as versatile sources of complex states for quantum information.
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