南京大學(xué)物理學(xué)院王牧教授和彭茹雯教授研究團(tuán)隊(duì)在利用超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)量子糾纏調(diào)控方面取得重要進(jìn)展，利用多通道超構(gòu)表面中雙光子量子干涉效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)四種貝爾態(tài)的構(gòu)建與全通道組合的糾纏分發(fā)。該研究表明，當(dāng)非糾纏、偏振正交的雙光子入射到多通道介質(zhì)超構(gòu)表面時(shí)，它們?cè)诔瑯?gòu)表面上發(fā)生偏振轉(zhuǎn)換和量子干涉；通過在任意兩個(gè)輸出通道進(jìn)行后選擇獲得偏振糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)所有通道組合的糾纏分發(fā)。實(shí)驗(yàn)中，該團(tuán)隊(duì)制備出具有七輸出通道的超構(gòu)表面，獲得21個(gè)通道組合，成功產(chǎn)生并分發(fā)四種貝爾態(tài)。進(jìn)一步地，改變輸入的雙光子態(tài)或者改變超構(gòu)表面設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的偏振糾纏態(tài)也隨之變化，使得該體系在偏振糾纏的產(chǎn)生、調(diào)控和分發(fā)等方面具備高度靈活性和可拓展性。該工作利用單一超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)了量子糾纏的產(chǎn)生、調(diào)控和多通道分發(fā)，展示了超構(gòu)表面作為緊湊、可擴(kuò)展量子糾纏源的顯著潛力，為構(gòu)建滿足多用戶需求的集成化、小型化的光量子網(wǎng)絡(luò)提供新途徑。
相關(guān)成果以 “Interference-Induced Entanglement Engineering on a Metasurface”為題發(fā)表在國(guó)際著名物理刊物《物理評(píng)論快報(bào)》，詳見Physical Review Letters 136, 023601 (2026)。該論文還獲選Editors' Suggestion，并被Physics 亮點(diǎn)推介（Featured in Physics）。
量子糾纏是量子通信與量子計(jì)算的核心資源，其中貝爾態(tài)的產(chǎn)生與調(diào)控是實(shí)現(xiàn)量子密鑰分發(fā)、隱形傳態(tài)、密集編碼等關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)。隨著量子網(wǎng)絡(luò)向多用戶、多節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)距離方向發(fā)展，傳統(tǒng)依賴多層級(jí)光學(xué)元件（如多波片、分束器、棱鏡等）的方案在系統(tǒng)體積、重量、及損耗方面逐漸形成瓶頸。實(shí)現(xiàn)高度緊湊、可擴(kuò)展的糾纏態(tài)產(chǎn)生與調(diào)控模塊成為邁向可集成的量子網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵一步。
南京大學(xué)王牧教授和彭茹雯教授研究組長(zhǎng)期致力于微納結(jié)構(gòu)的制備科學(xué)以及光與微納結(jié)構(gòu)的相互作用研究，特別關(guān)注超構(gòu)材料和超構(gòu)表面與光相互作用新原理及其應(yīng)用，取得一系列創(chuàng)新性成果，包括：提出幾何標(biāo)度相位調(diào)制【Physical Review X 10, 031035 (2020)】; 利用噪聲工程突破超構(gòu)表面偏振復(fù)用極限【Science 379, 294-299 (2023)】，等等。近年來(lái)他們嘗試將相關(guān)研究從經(jīng)典體系拓展至量子信息領(lǐng)域，例如：創(chuàng)新性地基于介質(zhì)超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)了量子糾纏態(tài)的多通道轉(zhuǎn)化與分發(fā)【Physical Review Letters 129, 023601 (2022)】以及首次基于單一超構(gòu)表面實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議量子密鑰分發(fā)【Nano Letters 25,7442-7449 (2025)】等。這些工作已初步展示超構(gòu)表面在光量子信息領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
在本研究中，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于單一超構(gòu)表面實(shí)現(xiàn)偏振糾纏的產(chǎn)生與調(diào)控以及多通道分發(fā)（原理示意見圖1）。該超構(gòu)表面由尺寸與旋轉(zhuǎn)角度各異的硅納米棒結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，每個(gè)結(jié)構(gòu)單元能夠?qū)θ肷涔庾友亟Y(jié)構(gòu)單元主軸方向的兩種正交線偏振分量引入可獨(dú)立設(shè)計(jì)的附加相位。通過亞波長(zhǎng)尺度的相位調(diào)控，超構(gòu)表面被設(shè)計(jì)成具有N個(gè)空間輸出通道，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)一種等效波片，從而對(duì)入射的雙光子偏振態(tài)進(jìn)行量子態(tài)調(diào)控。當(dāng)彼此偏振正交、其他自由度全同的雙光子入射該超構(gòu)表面時(shí)，其在各通道間會(huì)發(fā)生雙光子干涉。由于每個(gè)光子都有N種可能的輸出通道，因此任意選擇兩個(gè)通道進(jìn)行符合測(cè)量，均可獲得一種偏振糾纏態(tài)。該系統(tǒng)可在N(N-1)/2個(gè)通道組合中產(chǎn)生并分發(fā)偏振糾纏態(tài)，實(shí)現(xiàn)全通道組合的糾纏態(tài)分發(fā)。
圖1：通過多通道超構(gòu)表面的雙光子量子干涉效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)四種貝爾態(tài)的構(gòu)建與全通道組合糾纏分發(fā)示意圖
實(shí)驗(yàn)上，該團(tuán)隊(duì)利用微納加工制備出尺寸約為400 μm × 400 μm的硅納米結(jié)構(gòu)超構(gòu)表面，可產(chǎn)生7個(gè)獨(dú)立輸出通道。單光子測(cè)量結(jié)果（圖2）表明，每個(gè)通道均具備偏振轉(zhuǎn)換能力。進(jìn)一步地，將非糾纏且偏振正交的雙光子對(duì)入射至該超構(gòu)表面，7個(gè)輸出通道形成總共21種通道組合，分別對(duì)應(yīng)4種貝爾態(tài)。對(duì)全部組合進(jìn)行的量子態(tài)層析展示重構(gòu)密度矩陣，表明具有高保真度，并且CHSH 不等式違背和偏振干涉測(cè)量（詳見圖3中的左圖）均驗(yàn)證了光子對(duì)在每一通道組合中具有明確的偏振糾纏特性。結(jié)果表明，單塊百微米尺度的超構(gòu)表面即可實(shí)現(xiàn)四種貝爾態(tài)的構(gòu)建與全通道組合的糾纏分發(fā)，為量子網(wǎng)絡(luò)的緊湊化與集成化提供了有效路徑。
圖2: 實(shí)驗(yàn)制備的硅超構(gòu)表面SEM圖以及單光子實(shí)驗(yàn)結(jié)果
值得強(qiáng)調(diào)的是，該系統(tǒng)具備高度的可調(diào)控性。當(dāng)入射雙光子偏振態(tài)發(fā)生變化時(shí)，輸出的偏振糾纏態(tài)隨之調(diào)制（詳見圖3中的右圖），但整體仍保持對(duì)4種貝爾態(tài)的全覆蓋。此外，通過改變超構(gòu)表面設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步調(diào)控輸出通道的數(shù)量和偏振糾纏態(tài)的具體形式。例如可將輸出通道拓展至13個(gè)，對(duì)應(yīng)78種通道組合。這一基于超構(gòu)表面的策略有望顯著提升全連接量子網(wǎng)絡(luò)的集成化和小型化，為構(gòu)建面向多用戶需求的集成化、小型化的光量子網(wǎng)絡(luò)器件提供了重要的原型基礎(chǔ)。
這一方案的優(yōu)勢(shì)在于僅需利用百微米級(jí)尺寸的單一超構(gòu)表面即可替代傳統(tǒng)方案需要由多種光學(xué)元件構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)。同時(shí)，多通道、多貝爾態(tài)的產(chǎn)生和分發(fā)結(jié)果展現(xiàn)了高度靈活的量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建能力。該研究結(jié)果展示了超構(gòu)表面對(duì)量子糾纏的產(chǎn)生、調(diào)控和多通道分發(fā)能力，推動(dòng)發(fā)展集成化、可擴(kuò)展的量子光學(xué)平臺(tái)，為構(gòu)建滿足多用戶需求的集成化、小型化的光量子網(wǎng)絡(luò)提供新的可能途徑。
