[论文解读] Integrated nanophotonic platform for on-chip quantum emitter interactions and entanglement

Yinhui Kan, Shailesh Kumar+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 27, 2026

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 0

一句话总结

论文提出一种前向设计的超紧凑纳米光子学平台，在芯片上调控固态量子发射体之间的远程相互作用，借助工程化的表面等离激元极化子干涉实现瞬态纠缠与能量汇聚。

ABSTRACT

Entanglement between solid-state quantum emitters (QEs) is a key resource for photonic quantum technologies. Achieving such entanglement requires strong and controllable long-range interactions between QEs. However, engineering such coupling remains challenging, particularly for on-chip distant solid-state QEs. Here, we introduce a forward-designed platform that enables ultracompact nanophotonic architectures to mediate enhanced long-range QE-QE interactions via engineered surface plasmon polariton interference. Using this strategy, we realize two distinct configurations: a phase-conjugated elliptic design for energy funneling, and a co-radiating hyperbolic design for its suppression. We experimentally demonstrate large enhancement and suppression of energy transfer rates compared to bare substrates. Furthermore, we predict transient entanglement between spatially separated QEs with concurrence peaking at 0.493, approaching the theoretical bound in the transient regime. Extending to the multi-QE case, we observe enhanced energy funneling and predict QE-QE entanglement in three-QE configurations. These results establish a compact and scalable framework for on-chip entanglement engineering in integrated quantum nanophotonic systems.

研究动机与目标

• 为光子量子技术中的固态量子发射体提供强且可控的远程相互作用的必要性与动机。
• 提出一种前向设计的纳米光子学平台，利用工程化表面等离激元极化子干涉在芯片上介导量子发射体–量子发射体的相互作用。
• 演示相位共轭椭圆设计以实现能量汇聚，以及同辐射抑制能量转移的双曲设计。
• 预测空间分离的量子发射体之间的瞬态纠缠并估计其最大一致性（concurrence）。
• 将框架推广到多量子发射体配置，以展示增强的能量汇聚和纠缠潜力。

提出的方法

• 提出一种超紧凑的纳米光子学架构，利用工程化的表面等离激元极化子干涉来介导量子发射体的相互作用。
• 实现并比较两种设计：用于能量汇聚的相位共轭椭圆设计，以及用于抑制的同辐射双曲设计。
• 量化相对于裸衬底的能量转移速率的增强与抑制。
• 理论预测瞬态量子发射体–量子发射体纠缠，其在瞬态区间的一致性峰值为0.493。
• 将分析推广到多量子发射体配置，以预测增强的能量汇聚和纠缠。

实验结果

研究问题

• RQ1 工程化的表面等离激元极化子干涉是否能够在芯片上实现强而长程的量子发射体–量子发射体相互作用？
• RQ2 哪些设计原则（椭圆 vs 双曲）能优化能量汇聚与抑制能量转移？
• RQ3 空间分离的发射体之间可达到的瞬态纠缠有多大，以及其接近理论界限（concurrence≈0.493）的程度？
• RQ4 在多发射体情况下，这一框架在能量汇聚和纠缠潜力方面如何扩展？

主要发现

• 相对于裸衬底，该平台在能量转移速率方面存在较大提升。
• 相对基线设计，互为对照的设计在能量转移方面显著抑制。
• 分离发射体之间的瞬态纠缠，其一致性在瞬态区间达到峰值0.493。
• 在三发射体配置中预测纠缠，并在多发射体结构中实现更强的能量汇聚。
• 建立了一套紧凑且可扩展的片上纠缠工程框架，适用于集成量子纳米光子系统。