【仪表网 研发快讯】在量子信息前沿领域，如何开发出兼具高亮度与灵活可调性的量子纠缠光源，一直是制约光量子技术走向实用化和集成化应用的关键难题。近日，北京大学物理学院刘开辉教授、洪浩副研究员联合北京理工大学物理学院张向东教授、中国科学院物理研究所马超杰副研究员，提出一种全新自发参量下转换相位匹配构型——双旋范德华光学晶体，首次实现了高亮度且量子态连续可调的二维量子纠缠光源。
高亮度、量子态可调的量子纠缠光源，是量子通信、量子计算与量子精密测量等前沿量子科技的重要部件。然而，现有材料体系面临两难困境：传统非线性光学晶体(如β-硼酸钡、铌酸锂)依赖双折射相位匹配或准相位匹配，只能利用单一的非线性响应通道，难以实现量子态的按需调控；超表面与液晶等材料体系虽然拥有多个可用的非线性响应通道，展现出量子态灵活调控潜力，但其光子产生效率又相对较低。因此，开发兼具高效可调的量子纠缠光源，已成为突破当前量子光学技术瓶颈的关键所在。
针对这一挑战，研究团队创新性地提出了双旋范德华晶体构型，将二维范德华薄层晶体分别沿逆时针与顺时针方向旋转堆叠，构筑出互为镜像的左旋晶体与右旋晶体的组合(图1)。研究发现，层间转角在自发参量下转换过程中引入的非线性几何相位，兼具相位匹配与量子态调控双重功能——前者显著提升光子对产生效率，后者则为偏振纠缠态开辟全新的调控自由度。这种利用转角“一箭双雕”的设计，为构筑高效且灵活可调的新型量子光源奠定了基础。
基于上述构型，研究团队成功制备了转角二维硒化镓(GaSe)晶体量子纠缠光源。实验结果表明，仅21微米厚二维GaSe晶体，即可实现超过13,200 Hz的光子对产生速率(较现有二维材料体系高出2个数量级)，偏振纠缠贝尔态保真度高达99%。更为关键的是，通过调节左右旋部分的相对转角，偏振量子态可在最大纠缠与非纠缠之间连续变化(图2)。该工作开辟了范德华晶体量子纠缠光源的实用化新路径，突破了传统非线性晶体的固有技术局限，有望推动小型化、高集成度量子光子系统实现从基础研究到工程化应用的跨越。
2026年8月20日，相关研究成果以“双旋范德华晶体纠缠光子源”(Twin-Twisted van der Waals Crystal for Entangled Photon Source)为题，在线发表于《物理学评论快报》(Physical Review Letters)。中国科学院物理研究所马超杰副研究员、北京大学博士生张铭康、北京理工大学研究员何路为论文共同第一作者；北京大学刘开辉教授、洪浩副研究员，北京理工大学张向东教授、孔令军研究员为论文共同通讯作者。论文合作者还包括芬兰阿尔托大学孙志培教授、中国科学技术大学任希锋教授、中国科学院安徽光学精密机械研究所吴海信研究员等。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委等项目支持。
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