1. 课程导论

量子信息技术的核心瓶颈之一，是能否在芯片尺度上稳定、高效地产生纠缠光子对。传统纠缠光源依赖体块非线性晶体、分立光学元件和自由空间光路，体积大、对准难、相位漂移敏感，难以支撑大规模量子系统。片上纠缠光子源把非线性频率转换、光路分束/干涉、相位调控和滤波等功能集成到同一衬底上，用波导约束光场、用微环或周期极化结构增强非线性，从而在毫米甚至微米尺度内实现纠缠态的产生与操控。它既是量子通信、量子计算和量子精密测量走向工程化的关键器件，也是连接量子光学原理与集成光子工艺的典型交叉课题。

研究意义：从“能产生”到“可集成、可扩展”

片上纠缠光子源的研究意义可以概括为三个层面。第一是性能层面：通过高折射率差波导把光场限制在亚微米截面，显著提高功率密度，使自发四波混频（SFWM）或自发参量下转换（SPDC）效率提升；微环谐振腔还能通过品质因子 Q 增强腔内场，降低泵浦功率需求。第二是工程层面：片上器件天然具备相位稳定、无需复杂空间对准、可批量制造的优势，适合与超导探测器、单光子探测器、电光调制器共集成。第三是系统层面：纠缠源是量子中继、量子密钥分发、玻色采样、量子门等系统的“源头”，其亮度、保真度、纯度、带宽和可扩展性直接决定上层系统能否落地。

需要特别强调的是，片上纠缠源并非简单把体块器件“缩小”。波导色散、双光子吸收、非线性损耗、热光效应、制造误差都会改变纠缠态的质量。例如硅波导在通信波段存在双光子吸收和自由载流子吸收，泵浦功率不能无限提高；氮化硅波导非线性系数较低但损耗小、功率承受能力强；铌酸锂则兼具强二阶非线性和电光调控能力。材料平台的选择，本质上是在效率、损耗、带宽、调控能力和工艺成熟度之间做权衡。

典型应用场景

片上纠缠光子源的典型应用场景包括：

• 量子密钥分发（QKD）：基于纠缠的 QKD 需要高亮度、高保真度的偏振或时间-能量纠缠源，片上源可与波分复用器、探测器集成，实现小型化接收/发送模块。
• 量子中继与纠缠交换：纠缠源需与存储单元、频率转换模块接口，片上结构便于实现多路纠缠分发和贝尔态测量。
• 线性光学量子计算：玻色采样、双模压缩、簇态生成等需要多光子干涉网络，片上波导分束器和移相器可构建可重构干涉仪，纠缠源作为输入态。
• 量子精密测量：利用纠缠光子对提高相位测量灵敏度，片上干涉结构可抑制共模噪声。
• 片上量子网络节点：多芯片间通过光纤互连，纠缠源需具备通信波段、窄带或可调谐输出，以匹配光纤和原子吸收线。

这些场景对光源提出的指标并不相同：QKD 更关注保真度和成码率，量子计算更关注光子不可区分性和多路一致性，量子中继则强调带宽匹配和频率转换效率。因此，课程后续不会只讨论“如何测一个纠缠源”，而会围绕不同目标建立指标—结构—工艺—表征之间的对应关系。

课程目标与学习路径

本课程的目标是让学习者能够独立完成片上纠缠光子源从设计、流片到表征的基本闭环。具体包括：理解 SFWM 与 SPDC 的物理过程及相位匹配条件；掌握微环、直波导、定向耦合器等关键结构的参数设计；熟悉硅、氮化硅、铌酸锂等平台的工艺约束；能够搭建符合/不符合计数、符合时间窗口、干涉可见度、量子态层析等测试链路；并能根据实验数据判断源是否达到预期。

学习路径建议按“物理—结构—工艺—表征—系统”推进。先建立非线性频率转换和纠缠产生的物理图像，再进入波导色散与谐振腔设计，随后理解制造误差和损耗来源，最后通过符合计数、Hong-Ou-Mandel 干涉、贝尔不等式测试等实验手段验证纠缠质量。课程中会穿插示例参数，例如微环半径 10 μm、波导截面 500 nm × 220 nm、Q 值约 10^5、泵浦功率约 1 mW 等，这些均为教学示例，用于说明参数关系，不代表某一实际流片结果。

知识地图：从泵浦到纠缠验证

下图给出本课程的核心知识链路。左侧是输入泵浦与非线性介质，中间是片上结构对光子对的产生与调控，右侧是表征与系统接口。图中同时标出关键参数和判断量，便于在学习后续章节时反复对照。