多光子干涉和纠缠是量子信息科学的基础，但考虑到传统线性光学系统的不完善性和复杂性，将这些效应扩展到更高维度的系统，仍然具有挑战性。
今日，哈佛大学Kerolos M. A. Yousef，Federico Capasso等，在Science上发文，利用超表面和图论提出了一种广义Hong-Ou-Mandel效应，实现了平行琼斯矩阵编码空间模式的受控多光子聚束、反聚束和纠缠，所有这些都实现在单层超表面内。
这种图论对偶框架，同时对基于超表面的多端口干涉仪设计，及其产生的非经典关联进行编码，从而将线性量子光学网络直接转换为单层超表面。还演示了超表面产生多路径纠缠态的能力，并执行与高阶Hadamard干涉仪等效变换。
这一成果强调了用于可扩展、低退相干量子信息基础设施的超表面量子图。
Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference.
广义Hong-Ou-Mandel干涉的超表面量子图。
图1. 利用超表面和图论的广义量子干涉。
图2: 超表面设计和经典偏振表征。
图3: 启用超表面的量子多端口干涉测量法实验演示。
图4: Hadamard干涉仪的图论表示。
编辑语
干涉单光子的聚束和反聚束是一种基本量子效应，支撑着基于光学的量子计算和通信发展。将这种Hong-Ou-Mandel (HOM) 效应（指不可区分的两个光子，分别从两个输入口入射进光学分束器后，倾向于从光学分束器同一输出口出射的现象，在量子信息领域具有广泛应用）扩展到更大系统，需要越来越多的庞大光学元器件，这实际上是不可行的。
该项研究，利用超表面作为多端口HOM干涉仪和相关量子关联测量。还介绍了一种图论形式，既代表了基于超表面的量子光学，也代表了由此产生的非经典关联景观。这样的图论，可以用于设计可扩展的、低退相干的量子信息基础设施。
Kerolos M. A. Yousef et al. , Metasurface quantum graphs for generalized Hong-Ou-Mandel interference. Science 389, 416-422 (2025).
DOI:10.1126/science.adw8404
