哥伦比亚大学工程学院研究团队在量子硬件微型化领域取得新突破。他们研发出一种超薄超构表面器件，能在纳米尺度增强非线性光学效应。这项进展基于该团队今年初发表的研究 —— 当时他们仅用3.4微米厚的晶体器件就实现了纠缠光子对的生成，而最新研究更是将器件厚度缩减至160纳米。

研究团队通过引入超构表面技术实现这一突破。这种结构通过人工蚀刻超薄晶体形成特殊图案，可产生自然界不存在的光学特性。论文通讯作者基亚拉·特罗瓦泰洛表示，团队找到了可精确调控这些材料的可靠方法。现任米兰理工大学助理教授的地指出："我们成功建立了在纳米尺度图案化超薄晶体的制备方案，在保持亚波长厚度的同时增强了非线性效应。"

舒克实验室专注于过渡金属二硫化物研究，这类晶体可剥离至原子级厚度。通过堆叠不同层状晶体，研究人员能定制适用于量子系统的光学特性，但原有材料因厚度不足导致光子生成效率受限。特罗瓦泰洛强调，量子硬件需要微型化组件，目前量子比特源需占用数厘米空间及大型设备机房，"要实现量子技术规模化，必须缩小量子比特源的体积。"

超构表面提升光子输出效能

今年初该团队采用周期极化技术，通过交替排列二硫化钼层方向实现光子生成。而博士生彭志豪（音）通过蚀刻纳米级重复线条，创造了传统调谐无法实现的强非线性效应。他解释说："我们的设计比传统线性光学优化技术更能增强非线性效应，实现了前所未有的显著增强。"

实验数据显示，超构表面使二次谐波产生效率较未图案化样品提升近150倍。该过程能将两个光子合并为频率加倍的单个光子，团队下一步目标是实现逆向转换 —— 将单个光子分裂为两个纠缠光子。

这种新方法同时降低了制造复杂度。资深研究员吉姆·舒克指出："非线性晶体虽是众多光子技术的核心，但这些材料易脆且加工成型困难。"而彭志豪开发的简易方法仅需标准洁净室设备即可实现。

迈向芯片级量子系统

理论合作者协助确定了产生强非线性响应的最优图案。米歇尔·科尔图福指出，这种依靠交替线宽的结构在超薄薄片中实现了"非平凡特性"。安德烈·阿卢认为，该研究证明了工程化非局域特性可为实现非线性光学"紧凑型集成平台"提供新路径。

该器件工作在通信波段，为未来系统集成带来便利。舒克表示，这种微型化设计为实现全芯片集成量子光子学指明了方向。

研究成果已发表于《自然·光子学》期刊。

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