现有的基于非线性光学过程的纠缠量子光源，在维度扩展以及光子数增加方面面临着光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题，并不能满足量子通讯、量子计算、量子计量等领域对于高维、多光子的实用化需求，制约着光量子信息朝着大规模集成方向发展。最近，一种“超构表面”的微结构薄膜材料的研究，为量子光源及光量子信息技术的发展提供了一条全新路径。6月26日，南京大学、香港理工大学、中国科学技术大学和华东师范大学等高校学者，将这项名为“基于超构透镜阵列的高维纠缠和多光子源”的研究发表于国际顶级期刊《科学》。
基于超构透镜阵列的量子光源系统，南京大学供图
论文的共同第一作者、南京大学副教授王漱明介绍，在此项研究中，科研人员将超构透镜与非线性光学晶体组合在一起，构成全新的超构表面量子光源系统。他们设计并制备出10×10的超构透镜阵列，使用泵浦激光入射到该系统，超构透镜阵列将泵浦激光均匀的分成10×10份，并在β相偏硼酸钡晶体中聚焦，聚焦的泵浦光在β相偏硼酸钡中发生自发参量下转换过程，产生一系列信号/闲置光子对。
制备的高维纠缠态的表征，南京大学供图
实验中，他们采用波长为404纳米的连续激光作为泵浦光，测量了由超构透镜阵列中不同的超构透镜产生的光子之间的纠缠特性。实验测得所构成的二维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%，96.6%和95.0%。
不仅如此，超构透镜具有灵活的光场调控能力，可以对光场的相位、偏振、振幅等集成调控，从而进一步调制纠缠态。在该项研究中，研究团队通过对超构透镜的相位设计，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，同时证明产生的多光子量子光源具有很好的性质。
王漱明表示，该研究通过将超构表面技术引入量子信息领域，实现了高维度、集成化的双光子、多光子纠缠光源，突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制，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更高安全性的量子信息技术具有重要意义。
