量子信息技术被认为是20世纪重大科学进步之一，近几十年来取得了令人瞩目的进展，尤其是在量子通信、量子计算和量子计量领域。量子信息领域的基本处理单元被称为量子比特（qubit）。与计算机科学中只能表示0或1的的经典比特不同，量子比特可以处于叠加态，这样的量子比特可同时表示0和1，展示了独特的量子并行性。此外，量子比特之间还可以发生非经典相关的纠缠。量子纠缠和量子并行性的存在使量子计算能够以并行的方式执行，与经典计算相比，计算速度明显提高，尤其是当大量量子比特纠缠的情况下。此外，由于单个量子比特的不可分割性和量子态的不可克隆定理，量子信息技术从根本上排除了未经授权截获并复制量子态的可能性。量子信息技术的这些固有优势使其成为推动下一代信息技术发展的理想方案。可以利用一系列物理系统来实现量子比特，如光子、量子点（QD）、束缚原子、核磁共振及超导电路等。
在这些系统中，光子与其环境的耦合相对较弱，因此能够维持良好的量子相干性。此外，光子还提供了编码量子比特的各种维度，包括路径、偏振、相位、频率、自旋角动量（SAM）和轨道角动量（OAM）。光子量子比特可以轻松通过普通光学元件进行操作和传输，是量子信息的理想载体。虽然传统光学元件可以满足在自由空间应用中控制光子量子比特的要求，但它们体积庞大、对准过程复杂、机械耐久性有限，不顺应量子信息系统正在进行的微型化和集成化趋势。幸运的是，近年兴起的紧凑型光子器件——超构表面（metasurfaces）的快速发展为解决这一难题带来了关键的突破。
超构表面驱动的量子光子学
在过去的十年中，超构表面凭借精确操纵光的振幅、相位和偏振方面的卓越能力，而成为研究的热点。超构表面的基本构建块被称为超构原子（meta-atoms），通常是由介电材料或金属材料制成的亚波长谐振器。与通过沿不同光路累积相位变化来操纵光的传统光学元件不同，具有超薄厚度的超构表面通过利用超构原子中电磁场的局部谐振或非谐振模式来塑造光的波前。尽管超构原子具有离散性，但由于其亚波长尺寸，超构表面对光的操纵可视为准连续的。超构表面相位控制的物理原理可分为三类：谐振相位、传播相位和几何相位。谐振相位和传播相位取决于超构原子的形状和大小，而几何相位则受超构原子空间取向的影响。超构表面具有重量轻、尺寸小、可集成、坚固耐用及多功能等特点，加上超构原子无与伦比的设计灵活性，因此已被广泛用于替代传统波片、透镜、光栅、全息图和涡旋光束发生器。特别是近年来，对超构表面的研究已经超越了经典光学的范畴，激发了人们将这些多功能超构表面融入量子光子学领域的兴趣。
据麦姆斯咨询介绍，南开大学陈树琪实验室研究团队在Advanced Photonics Research期刊上发表了一篇题为“Metasurface-Empowered Quantum Photonics”的综述文章。该文章综述了快速发展的量子超构表面领域近期取得的重大进展。首先，文章重点介绍两种基于超构表面的量子光源，即单光子发射器（SPE）和自发参量下转换（SPDC）光子对光源。SPE和超构表面的集成可以通过两种配置实现，其中超构表面可以作为超构透镜或光子-质子-光子转换器，以提高收集效率，并在多自由度中设计单光子发射。至于SPDC光子对光源，超构表面通常支持各种谐振以提高状态密度，促进非线性晶体中的SPDC过程。具体来说，超构表面可用于在远场产生各向异性量子真空（AQV），这为调节多级原子量子发射（QE）的辐射特性提供了一种切实可行的策略。然后，该文章综述了在超构表面帮助下对量子态的操控和测量。通过利用超构表面提供的设计灵活性和多功能性，相继展示了纠缠态紧凑高效的生成、蒸馏、转换和分布。无损电介质超构表面可用于取代传统的笨重投影元件，从而构建紧凑而坚固的量子态断层成像系统，实现量子态的高保真重建。最后，该文章总结了超构表面在非经典光探测中的几种示例应用，包括量子传感、量子弱测量、量子光的相干完美吸收和量子成像。
SPE集成超构表面
基于超构表面的SPDC光子对光源
由于超构表面的复杂纳米结构，其对量子光的操纵不可避免地受到制造误差的限制。超构表面的制造误差通常源于蚀刻不足或蚀刻过度，这可能导致所有超构原子在保持周期性接近设计值的同时，实际横向尺寸大于或小于设计值。这些误差会使超构表面偏离其预期功能，例如破坏量子光源输出光束的频率、方向、偏振和模式纯度，降低量子态控制和测量的保真度，以及其它可能的后果。有几种方法可以解决这一问题。一种策略是优化超构表面的制造工序，以提高制造精度。另一种方法是利用几何相位超构表面代替谐振相位和传播相位超构表面。后两类超构表面的超构原子尺寸是关键因素，而几何相位超构表面则不同，它通过旋转超构原子的方向来实现相位控制，对超构原子尺寸误差具有很强的鲁棒性。对于超构表面的某些应用，例如量子态测量和重建，通常的做法是在进行量子测量之前用经典光对制造的超构表面进行表征，以确定包括超构表面所有制造缺陷在内的传递矩阵。利用传递矩阵，可以对量子测量结果进行精确修正，从而有效减少制造误差对量子测量结果的影响。
超构表面辅助的量子态操纵和测量
量子超构表面的丰富应用
尽管所有这些令人瞩目的进展都表明，超构表面通过同时控制光子的多个自由度为探索量子现象引入了一种新范式，但超构表面在量子光学中的全部潜力仍有待挖掘。要克服现有挑战，还需要进一步的研究。
另一方面，绝大多数用于操纵量子态的超构表面都缺乏实时可调谐性或可重构性。由静态结构组成的超构表面通常具有固定的光学功能，因此不适合满足量子信息处理复杂多变的要求。一种有效的方法是将超构表面与可调光学材料（例如石墨烯、半导体、液晶、非线性材料和相变材料等）集成。
此外，研究超越经典超构表面设计原理的创新方法，以创建先进的量子超构表面，也是一个值得深入研究的方向。例如，最近有研究提出了一种名为“散射全息”的启发性方法，用于设计量子发射器耦合超构表面，能够以预先设计的尺寸、偏振和传播方向产生单光子发射。全息超构表面根据参考波和信号波产生的干涉图案构建。类似这种新颖的设计方案，将为量子超构表面的发展注入新的活力。可以想象，超构表面与量子光子学的融合将大大加快量子物理的新发现，促进量子信息系统的片上集成。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adpr.202300352
延伸阅读：
《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》
《量子技术及市场-2024版》
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