今日Science:基于超构表面的高维量子纠缠光源和多光子源- 大数跨境

两江科技评论

2020-06-26

导读：近日，来自南京大学、香港理工大学、中国科技大学和华东师范大学联合团队发表了最新研究成果。该工作展示了由高效率超构透镜阵列/非线性晶体构成的新型高维度量子纠缠光源及多光子光源，首次将超构表面拓展到先进量

导读

6月26日，最新一期的国际顶级期刊Science以“Metalens-array-based high-dimensional and multi-photon quantum source”为题发表了由南京大学、香港理工大学、中国科技大学和华东师范大学联合团队的最新研究成果。该工作展示了由高效率超构透镜阵列/非线性晶体构成的新型高维度量子纠缠光源及多光子光源，首次将超构表面拓展到先进量子光源的制备上，为大规模集成化的量子信息技术开拓了全新的思路，对于未来集成量子光源的产生和探测等方面具有重要的意义。

研究背景

超构表面是一种二维的人工材料，这种材料为我们提供了在亚波长尺度上来调控光场的丰富的自由度和全新的可能性。近年来，超构表面的研究不断取得新的突破，如非常规偏折，波片，偏振调控，超薄矢量光发生器，光子自旋轨道相互作用，各种各样的全息成像等等。其中尤为突出的是各种各样的超构透镜，目前人们已经研发出的超构透镜在许多特性方面已经不输于传统的体块透镜，甚至在有些性能方面有所超越。由南京大学等单位领衔的研究团队在该研究方向一直处于国际领先水平，尤其在消色差超构透镜、超构透镜光场成像等方面做出突出贡献。这些突破为光学系统的小型化和集成化起到了很好的促进作用。

超构表面不仅在经典光调控中受到了广泛的关注，在量子信息应用中也开始崭露头角，取得了令人瞩目的进展，如通过超构表面实现单光子的自旋和轨道角动量之间的纠缠，小型化的量子态重构方案以及量子干涉等。然而，这些应用于量子信息的工作都是对已有量子态的处理，超构表面在量子光源中的研究尚未展开，在量子信息技术中的应用还缺乏探讨；另一方面，这些工作并未真正有效利用超构表面小型化、利于集成，以及灵活的光场调制的能力和优势，其中超构表面可以被传统的光学器件替代。

创新研究

研究团队设计了10×10的超构透镜阵列，并将其与非线性晶体BBO结合在一起构成全新的超构表面量子光源系统。当泵浦激光入射到该系统时，超构透镜阵列将其均匀的分成若干份，并聚焦到BBO中间。聚焦的泵浦光在BBO中发生大规模的自发参量下转换过程，产生一系列信号/闲置光子对，这些光子对彼此不可区分，它们即可以用于超高维度的量子纠缠源和多光子源。

图一：基于超构透镜阵列的量子光源系统

实验中，研究人员利用405nm的激光作为泵浦光，并测量了由超构透镜阵列中不同的超构透镜组合产生的光子之间的纠缠情况。实验测得所构成的二维、三维以及四维纠缠态的保真度分别可以达到98.4%，96.6%和95.0%。不仅如此，超构表面具有灵活的光场调控能力，对光场的相位、偏振、振幅等可以集成的调控，从而进一步调制制备的纠缠态。在该工作中，研究团队也通过对超构表面的相位设计，对所制备的量子纠缠态进行了精细的相位编码，并通过实验进行了很好的证明。

图二：所制备的量子纠缠态的表征

另一方面，该系统也可以用于制备简易紧凑的多光子源，研究人员也对该系统产生的多光子态进行了验证。实验中利用415 nm的飞秒激光作为泵浦源，分别测量了由该系统制备的4光子和6光子的符合曲线，证明了它们都具备相应的多光子特性。进一步的，该工作展示了4光子Hong-Ou-Mandel干涉的结果，其干涉对比度可以达到86.3 %，很好的显示了这些光子的不可区分性，可以应用于多光子量子光源。与常规的多光子源需要多块非线性晶体为基础的复杂系统相比，该工作仅需要一个超构透镜阵列和一块非线性晶体，有效提升了多光子系统的集成度，降低了制备多光子态系统的复杂度和难度。

图三：多光子态的测量

该工作通过将新兴研究领域——超表面材料技术引入具有巨大前景的量子信息领域，从而实现高维度、集成化的双光子、多光子纠缠光源，突破了现有的技术瓶颈和维度限制，有望应用于高维度的量子通信、量子计算、量子存储等领域，对于发展具有更高信息容量和速率的量子信息处理技术具有重要意义。特别的，将这一技术与光子偏振、时间、路径、轨道角动量等丰富的自由度相结合，可以拓展至多自由度和更高维度的光子态制备与操控，实现和演示对光子多自由度和高维量子态的编码、处理与探测，从而进一步增加对高维集成量子光学系统的制备和调控能力。

总结

值得指出的是，将超构表面与量子信息技术相结合的工作仍然处于初步探索阶段，如何进一步利用超构表面在光场调控和系统集成方面的优势，实现更高维度的纠缠制备及探测，并与常用量子信息系统相结合，实现先进实用的量子信息器件和系统，仍然有待深入探索，研究团队也正在进一步的积极研究超表面量子系统。南京大学访问学者,香港理工大学博士后李林博士(现华东师范大学研究员),南京大学博士生刘泽玄,中国科学技术大学任希锋副教授,南京大学王漱明副教授为本工作并列第一作者;南京大学张利剑教授,王漱明副教授,王振林教授,祝世宁教授和香港理工大学蔡定平教授为本工作的并列通讯作者。该研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的支持。