通过简并四波混频在等离子体波导中产生单模和双模量子压缩光态

更低噪声的光

想象在嘈杂的房间里聆听最轻的耳语。现在把耳语换成通过的引力波或光学计算机中的单个光子。普通激光束对于此类敏感任务来说噪声太大。本文探讨了一种在极小器件内（其尺寸仅为几千分之一毫米）工程化“安静”光以抑制噪声的方法。

为何安静的光重要

光由称为光子的微小包组成，量子物理表明它们的到达和强度总会有些抖动。这种抖动设定了标准量子极限——影响精密测量和光学通信的基本噪声底线。在一种称为压缩态的特殊光中，光某一属性的不确定性被压低到该极限以下，而另一属性的不确定性则相应增加。这类态已被用于诸如LIGO之类的探测器以搜索引力波，并且在许多量子技术中居于核心地位。然而，现有产生压缩光的器件通常较大、需要较长的相互作用距离，这限制了未来量子光学电路的微型化。

用于量子光的微小金属波导

作者提出了一种紧凑的金属基结构，称为等离子体波导，以更高效地产生压缩光。该器件由两条薄金条放置在类玻璃材料上构成，金属层之间有一个极窄的间隙。该间隙内外填充并覆盖有对强光响应极强的有机材料。当光在此结构中传播时，可激发表面波——光与金属中的电子发生耦合。这些表面波将光场束缚在远小于波长的区域中，大大提高了有机层内的场强，从而增强了产生量子态的非线性相互作用。

用四个光子塑造噪声

关键过程是四波混频：两个来自强输入光束的光子被转换成一对不同颜色的光子，称为信号光和闲频光。研究者既将此过程视为经典的能量交换，也作为一种影响光场涨落的完全量子相互作用来处理。他们推导并数值求解关于平均光强和围绕这些平均值的小量子抖动的耦合方程。通过建立这些抖动沿波导逐步演化的数学描述，并将相关的关联封装到协方差矩阵中，他们计算了单模（泵浦）以及联合信号—闲频对中形成的压缩量。

设计与功率如何调节压缩效果

分析表明，更高的泵浦功率增强了四波混频，在更短的距离内即可产生更深的压缩，交互长度可低于两微米。与早期依赖另一种非线性过程（二次谐波生成）的设计相比，所提出的结构需要的波导长度约短一千倍便可达到类似的噪声降低水平。作者还探讨了实际限制：金属及周围材料的损耗类似于不断混入真空噪声的小型分束器，从而削弱压缩效果。他们对这一影响建模并表明，尽管损耗会降低性能，但在由强场束缚允许的极短器件长度内仍有可能实现强压缩。

通过调节间隙提升性能

金层间隙的宽度被证明是一个关键设计参数。更窄的间隙会将光场更紧密地挤进有机材料中，提升局部场强并提高四波混频的效率。随着间隙变宽，峰值电场减弱，非线性相互作用变弱，压缩量及其发展速度均会下降。仿真表明，50到70纳米范围的间隙在强压缩与现实制造之间提供了最佳折衷，特别是考虑到纳米制造技术的最新进展。

面向未来量子芯片的小型平台

通俗来说，这项工作展示了如何用仅几十纳米宽的金属缝隙构建一个非常小且高效的光学“噪声塑形器”。通过将极端场束缚与高度响应的有机材料相结合，所提等离子体波导能够在所需长度远低于传统器件的情况下同时产生单模和成对的压缩态。尽管光学损耗和制造挑战仍然存在，结果表明了通向紧凑芯片级组件的明确路径，这些组件可为传感、通信和信息处理提供低噪声的量子光源。

引用: Ghasempour Ardakani, A., Bornak, H. Generation of single-mode and two-mode quantum squeezed states of light by degenerate four-wave mixing in a plasmonic waveguide. Sci Rep 16, 16684 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45164-2

关键词: 压缩光, 等离子体波导, 四波混频, 量子光子学, 纳米光子学