近日，厦门大学物理科学与技术学院陈理想教授与南京理工大学电子工程与光电技术学院陈圆缘副教授联合团队首次提出并实验验证了利用相变材料二氧化钒实现非幺正量子干涉的动态连续调控，通过温度驱动绝缘体-金属相变从而精准调控粒子交换相位，实现纠缠双光子从常规聚束到反常反聚束的可逆连续转变，从而突破传统静态光学元件对量子干涉的固有限制。相关研究成果以“Dynamical Control of Quantum Photon-Photon Interaction with Phase Change Material”为题发表于《Physical Review Letters》[Phys. Rev. Lett.136, 203601 (2026)]。

量子干涉是光量子信息处理的核心技术，其中Hong-Ou-Mandel(HOM)干涉作为典型范例展现了全同玻色光子的聚束效应，在量子通信、量子精密测量和量子计算等多个领域具有广泛应用。然而，受限于光子的玻色子性质和传统无损光学元件的相位响应，HOM干涉效应不具备重构功能。损耗诱导的非幺正变换能够突破这一限制，调制任意的粒子交换相位，可为模拟类费米子、任意子统计以及构建非确定性量子算法提供新路径。此前研究已利用等离激元、石墨烯、超构表面等耗散结构实现非幺正量子干涉，但普遍存在调控方式静态、难以连续可逆操控的问题，无法满足可编程量子光平台的动态调控需求。

图1 二氧化钒的光学性质随温度发生剧烈变化

针对上述挑战，研究团队首次将具有金属-绝缘体相变特性的功能材料二氧化钒引入量子光学实验。二氧化钒是一种具有独特相变特性的功能材料，在临界温度约68℃附近发生单斜相与金红石相的可逆结构转变，伴随光学吸收、反射与透射特性的显著突变（如图1所示），可在近红外波段实现损耗的连续精确调控，因而被视为下一代智能调控材料的核心候选之一。研究团队据此设计基于二氧化钒的损耗可调分束器，通过温度驱动材料发生结构相变从而改变粒子交换相位，实现从幺正转换到非幺正转换的连续变化，即对量子干涉效应的连续可逆动态调控。

图2 基于二氧化钒的量子干涉调控研究平台

实验系统采用自发参量下转换产生频率纠缠光子对，构建可调谐HOM干涉研究平台（如图2所示），分别测试频率简并态、对称纠缠态与反对称纠缠态在不同温度下的干涉效应。如图3的实验结果表明，低温条件下，二氧化钒处于绝缘相，损耗较低，系统接近幺正分束器，当入射双光子为对称纠缠态或频率简并态时，两个光子聚束到相同的输出端口，而当入射双光子为反对称纠缠态时，两个光子则反聚束到不同的输出端口，即表现为常规的HOM干涉现象。随着温度升高，二氧化钒结构变为金属相，吸收显著增强，系统接近非幺正分束器，当入射双光子为对称纠缠态或频率简并态时，两个光子的输出既有聚束又有反聚束成分，而当入射双光子为反对称纠缠态时，双光子被相干完美吸收，呈现完全不同的统计行为。当温度再次降低时，系统完全恢复到初始的干涉特性，从而在实验上证实了光子-光子干涉调控是连续且可逆的。因此，有损分束器的非幺正变换打破能量守恒约束，使得粒子交换相位可任意调控，从而实现玻色子与类费米子干涉效应的可逆切换。

图3 二氧化钒薄膜加热时HOM干涉图样的实验测量结果

该工作首次将相变材料用于量子干涉调控，区别于超构表面的机械调控的外部调控方式，依靠材料内部电子态与晶格结构转变实现物理本质上的调控，具有结构紧凑、响应快速、易于集成等优势。这一研究建立了相变材料与量子光学的跨学科融合范式，进一步丰富了相变光子学的研究内涵，为非幺正量子物理、新奇量子效应观测以及复杂量子信息处理任务等提供了全新的研究平台，展示了相变材料在可编程、可重构的大规模集成量子光子芯片研究领域的广阔应用前景。

该研究以厦门大学为第一完成单位，物理学系2023级博士研究生王超杰为论文第一作者，陈圆缘副教授、陈理想教授为共同通讯作者，厦门大学物理学系卢卫芳副教授、吴猛助理教授、张宇宁工程师、博士生李旭彤、硕士生马修益和南京理工大学隋修宝教授为合作者。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、厦门大学南强青年拔尖人才等项目的资助。

原文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/spb4-kgmq

（物理科学与技术学院）