在不断发展的量子物理领域，量子纠缠的探索已成为研究的焦点，有望在通信和计算技术上带来突破性的进展。本文深入探讨了量子纠缠的复杂性、贝尔不等式的应用，以及 β-硼酸钡（BBO）晶体在自发参量下转换（SPDC）现象中所发挥的重要作用。
量子纠缠，这一现象曾被阿尔伯特·爱因斯坦形容为“远距离的幽灵作用”，发生在两个或多个粒子以某种方式相关联时，一个粒子的状态会瞬间影响另一个粒子的状态，无论它们之间相隔多远。物理学家约翰·贝尔在20世纪60年代提出的贝尔不等式，为测试量子力学预测的非局域相关性提供了一种方法。这些不等式作为验证量子纠缠有效性的试金石，挑战了我们对经典物理的理解。
在许多探索量子纠缠的实验中，核心过程是自发参量下转换（SPDC）。SPDC涉及光子与非线性晶体的相互作用，从而产生两个纠缠光子。纠缠光子在其偏振状态上表现出相关性，为量子纠缠提供了可观察的体现。该过程已成为量子技术发展的基石，包括量子密钥分发和量子隐形传态等应用。
为了实现高效的 SPDC，相位匹配至关重要。在类型 I 相位匹配中，入射光子与输出光子的偏振方向平行。此条件确保在下转换过程中能量和动量得到守恒。实现类型 I 相位匹配对于产生具有明确偏振特性的纠缠光子对至关重要。
相比之下，类型 II 相位匹配生成的纠缠光子对具有垂直偏振。这种配置在某些量子实验和应用中具有独特优势。通过精确调控非线性晶体的性质，研究人员可以定制生成光子对的纠缠特性，从而对量子态实现更高程度的控制。
在 SPDC 实验中，最广泛使用的非线性晶体之一是β-硼酸钡（BBO）。BBO 晶体具有优良特性，如高非线性系数、宽透光范围和出色的光损伤阈值。这些特性使 BBO 晶体非常适合高效地将单个光子转换为一对纠缠光子。研究人员利用 BBO 晶体的独特性能推动量子纠缠研究的边界，为量子信息处理的实际应用铺平道路。
图 1：a) SPDC 的费曼图，其中一个光子能量为 ℏ
Tags: BBO晶体