福晶科技：BBO晶体助力量子纠缠实验与量子科学发展

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@小白创作中心

福晶科技：BBO晶体助力量子纠缠实验与量子科学发展

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https://www.818laserhub.cn/newsinfo/4747101.html

量子纠缠是量子力学中一个令人着迷的现象，它描述了两个或多个粒子之间存在的神秘联系。这种联系超越了经典物理学的解释范围，即使粒子相隔遥远，它们的状态仍然会瞬间关联。2022年诺贝尔物理学奖颁发给了约翰·克劳瑟（John Clauser）、阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）和安东·泽林格（Anton Zeilinger），以表彰他们“对纠缠光子进行的实验，建立了贝尔不等式的违逆性和开创了量子信息科学”。

图1. 2022年诺贝尔奖得主

量子纠缠实验的历史背景

量子纠缠的概念最早可以追溯到1935年爱因斯坦、波多尔斯基和罗森（EPR）发表的一篇论文。他们提出了一个思想实验，质疑量子力学的完备性。然而，直到1964年，J.S.Bell发表了一篇关于贝尔不等式的论文，才为用定量实验检验这一物理学中的重大哲学争论提供了可能。经过Clauser、Horne、Shimony和Holt（1969）以及Clauser和Horne（1974）的努力，人们终于有了能真正用于实际实验检验的两种不等式，即CHSH不等式和CH不等式。

BBO晶体在量子纠缠实验中的重要作用

从1972年到1982年，科学家们完成了12个实验，其中10个实验的结果与量子力学预言一致，违反了贝尔不等式。然而，由于定域实在论和量子力学之争的复杂性和重要性，以及贝尔不等式实验检验本身还存在着不少“漏洞”，物理学家们从未停止对贝尔不等式检验的实验研究，也在不断寻求新的更有效的制备纠缠光子的方法。

1988年，Shih和Alley小组首次采用参量下转换技术和非线性光学晶体产生纠缠光子对进行贝尔不等式检验。此后，使用非线性光学晶体尤其是利用BBO晶体制备高亮度纠缠光子对的方法逐渐成为主流。

重要纠缠光子实验中的BBO应用

1979年，中科院福建物质结构研究所陈创天教授团队发明了BBO非线性光学晶体，引起了国际光学界的极大兴趣。1992年，Brendel、Mohler和Martiessen发表了“Experimental Test of Bell’s Inequality for Energy and Time”一文，这是最早的直接使用BBO晶体制备纠缠光子对的实验之一。

1993年，Kiess、Shih、Sergienko和Alley首次采用BBO晶体在Ⅱ类相位匹配的参量下转换中产生的纠缠光子对来检验贝尔不等式。1995年，Kwiat、Mattle、Weinfurter和Zeilinger首次采用非共线Ⅱ类相位匹配技术来产生纠缠光子对进行贝尔不等式检验实验，所需的偏振纠缠态光子直接从一个非线性光学晶体（使用的是BBO晶体）产生。

图3. 实验装置示意图[6]

1998年，Weihs、Jennewien、Simon、Weinfurter和Zeilinger发表了“Violation of Bell’s Inequality under Strict Einstein Locality Conditions”的论文。根据Ⅱ类参量下转换原理，选用BBO晶体产生偏振纠缠的光子对，此实验中分析器与检测器之间的距离是400m，测得偏振分析的选择方向和检测光子的总时间约为100ns，明显小于光传播这段距离所需的时间（1.3ms），符合爱因斯坦定域性条件的要求。

2003年，Aspelmeyer、Zeilinger等13位作者在Science杂志发表“Long-Distance Free-Space Distribution of Quantum Entanglement”一文。文中实验使用了由Ⅱ类参量下转换BBO晶体产生的偏振纠缠的光子对，不同于以往的实验，此实验首次不借助于光纤传输，在分离600米的自由空间中完成。