高维量子纠缠系统凭借其更大的希尔伯特空间，在提升通信容量、抗干扰性和实现复杂量子任务方面具有独特优势。然而，传统光学元件难以稳定实现高维纠缠态的高效制备，限制了其在量子信息中的发展和应用。近年来，超构表面(metasurface)技术的发展为多自由度光场操控提供了全新平台，也为高维量子态的制备与应用带来了新的思路。尽管已有工作利用超构表面实现了纠缠光源的构建、量子态操控及成像、探测等应用，但其在高维量子通信协议中的可行性需要进一步探索与验证。
近日，华东师范大学李林研究员、刘金明教授课题组联合香港城市大学蔡定平教授等团队，构建了基于超构表面的高维路径-偏振超纠缠光源，并在此基础上实验实现了可扩展的高维远程态制备协议，展示了三维至八维单光子态的远程制备。该方法具备结构紧凑稳定、易于拓展、保真度高等显著优势，为高维量子通信和分布式量子计算提供了新平台。相关研究以题为 “High-dimensional Remote State Preparation With Metasurface-based Hyper-entangled States”发表在《Laser & Photonics Reviews》上，研究生宁明昊与李纳川为本文的共同第一作者。![]()
远程态制备（Remote State Preparation, RSP）是一种重要的量子通信协议，能够通过共享纠缠实现已知量子态的远程重构，因其无需Bell态测量且仅需较少的经典通信资源，成为构建高维量子通信协议的理想选择。然而值得注意的是，远程态制备理论框架虽然已提出二十余年，超越四维的远程态制备依然未能实现，这主要是由于传统方法随着维度提升，面临系统复杂度增加、稳定度差、保真度降低等挑战，难以有效扩展。针对以上问题，该团队利用超构表面构建了紧凑可扩展的高维超纠缠源，并提出了基于这种纠缠光源的远程态制备协议，为可扩展的高维量子通信协议提供了新的解决方案。
为实现紧凑、稳定、高维度可扩展的量子态远程制备平台，研究团队提出一种如图1所示结合超构透镜阵列与三明治型BBO非线性晶体的高维路径-偏振超纠缠光源系统。泵浦激光通过4×4超构透镜阵列均匀分束并聚焦至BBO非线性晶体中产生路径编码的高维量子纠缠态；同时，引入三明治型BBO晶体以制备偏振纠缠态，从而构建制备路径-偏振超纠缠态的量子光源。通过这种组合结构，研究人员在实验上成功制备了2⊗2、3⊗2和4⊗2维的超纠缠态，并通过量子态层析方法对其密度矩阵进行重构。测量结果表明，所制备的四维、六维和八维等高维超纠缠态的保真度分别达到0.943、0.933和0.911，验证了该平台在多自由度高维纠缠态构建中的可行性。该结构理论上可拓展为16⊗2维路径-偏振超纠缠态（即32维希尔伯特空间），其维度也可以通过引入更大规模的超构透镜阵列而进一步扩展。
图1.（a）超纠缠光源的产生过程示意图。（b）每一束泵浦光经过超构透镜聚焦到BBO晶体上发生的自发参量下转换过程示意图。
在此基础上，研究人员提出基于超构表面高维纠缠光源的远程态制备协议，并首次展示了超越四维的高维单光子态远程制备。其远程态制备的实验光路如图2所示。以四维远程态制备为例，在图2(a)中制备四维路径-偏振超纠缠源：
，纠缠光子对中的光子通过三棱镜被分别分发给Alice和Bob，Alice通过调节图2(b)所示的波片、窗口片等光学元件制备目标光子态：
。其中，实数
。Bob则相应的通过调整其路径中的波片、窗口片等元件进行光子态的投影，并通过对Alice和Bob探测所得的光子进行符合测量和重构来恢复重建所制备的单光子态。
图2. 制备任意四维光子态的实验光路图。(a)高维纠缠光源的产生; (b)四维光子态的制备与测量过程; (c)超构透镜组产生的光子对经过分束器后进行空间模式的分离（0-3分别代表不同的路径）。
为了评估远程制备的四维单光子态的质量，在实验中选择了四维系统的十七个态（包括十六个基底态和一个线性相关态
进行远程制备与测量。图3是实验中测量所得十七种单光子态的结果，其平均保真度为0.950±0.0197，证明了利用超构表面超纠缠光源成功实现了四维单光子态的远程制备协议。
与传统基于体块光学元件的系统不同，本工作中超构表面量子光源在稳定性和可扩展性方面有很大的提升，这一特性为超高维量子信息的操作和应用大幅降低了门槛。利用超构表面量子光源的这一特性，该团队进一步将该协议拓展至更高维度，并在实验上演示了典型6维和8维单光子态的远程制备，所有制备的光子态的保真度均超过0.9。这是目前为止最高维度的单光子态远程制备结果，验证了该策略在更高维度下的可行性与便捷性，表明这种新型量子纠缠光源在量子信息任务中的应用前景。
本工作构建了一种结合超构表面与三明治型BBO非线性晶体的紧凑、易扩展的路径-偏振高维超纠缠量子光源，并首次展示了这种超构表面量子光源在量子通信协议中的应用。通过合理设计RSP方案，实验完成了三维到八维的高维单光子态的远程制备，所制备量子态的保真度均超过0.9，突破了此前单光子态远程制备的维度，证明了超构表面量子光源在实现高维量子远程态制备协议中的可行性，为实现大规模量子通信方案提供了重要的技术支撑。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202401968
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