近十年来，光学超构表面已发展为光场调控的有力平台。这种由金属或介质材料的光学谐振腔构成的平面光学结构，可以在亚波长尺度上精确地控制光与物质的相互作用。
与传统光学元件通过控制光在介质中传播的光程不同，光学超构表面在微纳米尺度通过共振控制光波的相位、幅度和偏振，因而具有极大的灵活性、轻薄性和紧凑性。超构表面有望取代很多传统光学元件，并且可以克服传统元件的种种限制。
在经典光学应用中取得极大成功之后，科学家们最近将超构表面的应用扩展到了量子领域。
近日，美国斯坦福大学博士后研究员、（2023年起）加拿大麦吉尔大学助理教授王凯，德国马克斯·普朗克光科学研究所研究员、埃尔朗根-纽伦堡大学教授 Maria Chekhova 和澳大利亚国立大学杰出教授 Yuri Kivshar 在《今日物理》（Physics Today）发表了一篇专题文章，题为“Metasurfaces for quantum technologies”，介绍了用于量子技术的超构表面的基本概念、原理、优势和应用前景。
这篇专题文章首先介绍了用于操控光子量子态的超构表面，其主要优势是可以同时灵活控制量子态的多个自由度。
在量子信息科学技术中，光子是理想的信息载体。但是对光子的量子信息进行编码和转换往往仍然依赖传统光学元件。超构表面灵活、紧凑和高效的诸多特性，使之成为下一代量子光学元件的重要候选。
量子技术所需的光量子态包括单光子和纠缠光子对等等，具有经典光理论无法描述的特性。量子信息常常需要被编码在光子的多个自由度中，例如偏振、空间模式、频率、轨道角动量等等。而自由空间是操纵和检测这些自由度最简单直接的渠道，因此用于自由空间的量子光学组件非常重要。到目前为止，大多数量子光学的自由空间应用都依赖于传统光学元件，包括透镜、分束器、波片、反射镜等。尽管很多量子领域突破性实验基于这些传统元件，但系统往往难以调节、体积庞大、光子损耗较高且机械不稳定，容易引入误差。
超构表面在量子光的应用中可望取代笨重的传统光学器件，尤其在自由空间中以及自由空间和集成光子器件之间的界面处。图 1的概念图描述了超构表面同时转换来自多个输入端口的量子光子态并将它们从多个端口输出。超构表面可将输入态转换为很多输出态，包括在不同的自由度之间转换。尽管最简单的超构表面是静态装置，但已有许多方法可以实现可动态调节或调制的超构表面。
图1：用于对各种自由度编码的光子量子态进行操控的超构表面，具有量子成像、量子互联等应用前景。
例如，超构表面的输出可用于量子成像，巧妙使用量子纠缠提高成像分辨率、信噪比和光谱范围等。超构表面后可以放置具有单光子灵敏度的相机或单光子探测器阵列。另外，经过超构表面转换的量子光可以和其他元件相连接使用，例如更多层的超构表面、光芯片或者光纤。
文章提到，许多实验工作已经实现了使用超构表面进行量子态操纵。其中一项早期探索来自以色列理工 Mordechai Segev 和 Erez Hasman 研究组，他们将超构表面用于产生单光子的偏振和 轨道角动量纠缠态（https://doi.org/10.1126/science.aat9042）。在另一项包括了该文章作者Wang 和 Kivshar的工作中，超构表面被用于多光子量子偏振态的测量和重建（https://doi.org/10.1126/science.aat8196）。
超构表面也尤其适用于实现非酉变换（名词解释），为光子态操纵提供新的机制。例如，加州大学伯克利分校的 Xiang Zhang 和他的同事证明了非酉的超构表面可以调节两个光子之间的干涉行为（https://doi.org/10.1038/s41566-021-00762-6）。澳大利亚国立大学的 Andrey Sukhorukov 研究组设计并实现了一种超构表面，可通过非酉变换改变双光子的偏振态和纠缠度（https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01044）。
除了操纵光的量子态，该专题文章还讲解了超构表面在产生单光子态中的应用，其主要优势是可以通过共振大幅增强自发辐射。
在实际应用中，大多数单光子源的辐射率偏低。而且往往向四面八方辐射，难以收集。另外，在大多数情况下，光源发出的是广谱光，难以实现理想情况下的光子量子态的不可区分性，因此不适用于量子技术。
而这些问题都可通过将单光子源嵌入到共振超构表面中解决。共振可以提高自发辐射的效率。这种增强效应可以从真空涨落（名词解释）的角度来理解。在超构表面的每一个谐振腔，共振可以增强某些频率的真空涨落，并减少其他频率的真空涨落，类似于光学腔中的Purcell效应。
图2：超构表面对量子点单光子源辐射的增强
图源：S. Liu et al., Nano Lett. 18, 6906 (2018).
例如，图 2显示了砷化镓超构表面对嵌入的砷化铟外延量子点的影响，该超构表面由对称性破缺的纳米谐振器组成（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b02808）。此超构表面支持连续谱中的准束缚态 (quasi-BIC)，具有尖锐的共振频率，品质因数（ Q 值）约为 100。在BIC的窄光谱范围内（蓝色曲线），量子点原本宽频且亮度不高的辐射（黑色曲线）被增强了大约两个数量级。共振还使得量子点优先在垂直于超构表面的方向辐射。
如今，在上述研究后仅四年，通过更先进的设计， Q 值高达 10^4 的准 BIC 共振已得以实现。共振有望进一步增强自发辐射并控制光谱和方向性。此外，超构表面还可以多功能地产生偏振态，例如使量子点在不同方向发射不同偏振的光子。
● 超构表面可增强非线性过程产生的纠缠光子对
最后，这篇专题文章介绍了利用非线性过程产生纠缠光子对的超构表面，除了共振增强外，其主要优势是相位匹配条件要求的大幅降低。
纠缠光子对（名词解释）可以通过非线性过程（如自发参量下转换，SPDC）产生。传统的非线性效应往往需要相位匹配。例如用晶体实现SPDC，相位匹配相当于光子的动量守恒：泵浦光子的动量完全传递给两个产生的光子，称为信号（signal）光子和闲频（idler）光子。类似地，能量守恒要求泵浦光子的频率等于所产生的两个光子频率的总和。在超构表面等超薄材料中，能量守恒仍然有效，但在垂直于表面的方向上对动量守恒要求大幅降低。这种要求的降低可以通过位置和动量不确定性原理（名词解释）理解：在空间上限制光子对的位置可以大幅提高其允许的总动量的范围。
去年，该文章作者之一(Chekhova)和耶拿大学的 Frank Setzpfandt 以及他们的研究组通过SPDC使用米氏（Mie）共振的铌酸锂超构表面产生纠缠光子（https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01125）。如图 3 所示，与没有超构的相同材料相比，米氏超构表面在 1591 纳米波长处的共振使其在 15 纳米宽的波段内光子对产生率（红色实线）增加了两个数量级。
图3：超构表面对非线性产生纠缠光子对的增强
图源：T. Santiago- Cruz et al., Nano Lett. 21, 4423 (2021).
超构表面在SPDC中对动量守恒的要求降低也为泵浦光频率的选择带来了灵活性。如果泵浦光子频率不是共振频率的两倍，则总能量在两个产生的光子之间不均等分配。信号光子具有共振频率，而闲散光子的频率由能量守恒决定。该文章作者之一(Chekhova)和美国桑迪亚国家实验室的 Igal Brener以及他们的研究组最近在 BIC 超构表面中实现了这种SPDC双色光子对的产生（http://arxiv.org/abs/2204.10371）。
此外，超构表面还可以为 SPDC 光子对生成和高维纠缠提供多个通道。例如，Din Ping Tsai 和他的同事在 β-硼酸钡（BBO）晶体上集成超构表面透镜阵列，实现了多路径光子对源（https://doi.org/10.1126/science.aba9779）。这种基于超构表面的量子光子源可以轻松地在各种高维纠缠量子态之间切换。
文章总结说，超构表面的关键优势是可以同时控制量子态的多个自由度。超构表面通过产生、控制和操纵光的量子态，将助力自由空间量子通信、量子信息、量子计算和量子成像等。
K. Wang, M. Chekhova, and Y. Kivshar, Metasurfaces for Quantum Technologies, Physics Today 75, 8, 38 (2022).
https://doi.org/10.1063/PT.3.5062
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