利用量子力学效应处理、存储、检测或传输信息的量子技术、设备和系统，在诸多领域都具有超越经典技术的潜力。量子工程领域当前的重要探索方向是实现所谓的量子互联网：这一网络概念上类似于当今互联网，其中远距离节点通过共享量子资源（最显著的是量子纠缠）相互连接。
南京大学与中国科学技术大学的研究人员开发了一种新型超薄超表面，有望助力实现这一目标。该超表面不仅能调控光的行为，还能在多通道间生成并引导量子纠缠。这项发表于《物理评论快报》的成果，迄今已展现出在可扩展集成量子技术领域的发展潜力。
论文通讯作者彭茹雯与王牧表示：“这项工作源于量子技术领域的长期挑战——构建能可靠连接多用户的量子互联网。”
“正如当今互联网依赖光在光纤中传输，未来的量子互联网将依赖纠缠光子对——即使相距遥远，这些光粒子的特性仍保持关联。纠缠光子对对量子隐形传态、安全通信和分布式量子计算等任务至关重要。”
在量子设备网络中，信息通常通过一种称为纠缠的量子效应进行传输。量子纠缠意味着两个或多个粒子之间存在联系，这种联系确保它们各自的量子状态无法独立于纠缠状态的其他粒子来描述，即使它们相距很远也是如此。
此前提出的多数纠缠光子（即光粒子）生成与分配方案，均依赖于笨重的光学元件或其他复杂实验装置。这不仅使其难以大规模应用，更阻碍了其集成到紧凑便携设备中的进程。
彭和王表示：“我们的目标是寻找一种更简洁、更紧凑的纠缠生成与分配方案——理想情况下仅需单个无源光学元件即可实现。”
该团队的近期成果
研究人员近期开展的研究，基于他们此前开发超薄纳米结构超表面的工作，这些超表面可用于构建可靠的量子技术。2020年，研究团队提出一种能同时生成多种光偏振态的超表面。两年后，他们将这一理念拓展至量子光学领域，设计出能按预期方式引导已纠缠光子的超表面。
彭和王表示：“我们的下一步是证明超表面能实现更强大的功能：不仅能操控纠缠，更能自主生成纠缠。”“在新论文中，我们证明了两个最初未纠缠的光子通过精心设计的单一超表面后，会因结构内部的量子干涉效应而产生纠缠。”
彭、王及其同事研发的新型超表面仅宽几十分之一毫米，由排列在玻璃基底上的纳米级硅柱构成。当两个不同偏振状态的光子（即与光的色调或强度无关的固有属性）穿过该表面时，它会将光子分流至多条输出路径。
彭和王解释道：“由于量子干涉效应，当光子从任意一对路径同时出现时，便会形成明确的纠缠态。在我们的实验中，七条输出路径共产生21对纠缠光子，所有光子均呈现量子纠缠特性。”
新型超表面的设计原理与优势
研究人员开发的紧凑型超薄超表面可在单一器件内同时生成并分配多通道量子纠缠。值得注意的是，该装置无需额外大型光学元件或复杂设置。
研究人员表示：“我们最初设计超表面是为替代笨重的光学元件，随着研究深入，我们发现相同结构不仅能操控量子光，还能通过干涉效应直接产生量子纠缠。这正是本项工作的直接契机。”
该团队的超表面由硅柱构成，其尺寸远小于光波长，并按精密图案排列于玻璃基底上。尽管宽度仅为几分之一毫米，却能作为功能完整的微型光学电路运作。
彭和王解释道：“超表面具有多个输出通道，每个通道均作为波片对入射光子的偏振进行操控。”“当两个极化方向正交的光子同时入射到超表面时，它们会发生量子干涉。因此，在后选择阶段，每对通道的输出态都是极化纠缠的贝尔态。”
新超表面的最显著特征在于其通过干涉过程产生纠缠。当两个光子离开表面时，它们共享特定的纠缠态。彭和王表示：“为了制造我们的设备，我们运用先进纳米加工技术以纳米级精度制备表面结构，确保所有光路均按设计发生干涉。”
“随后我们分步验证了装置性能：首先证明每条输出路径均产生独特的偏振转换，最终通过量子测量确认不同路径的光子对确实现实纠缠。”
单一器件实现光学与纠缠态分配
彭、王及其团队研发的晶圆级超薄超表面，既能替代笨重的光学元件，又能可靠地在量子网络中生成并分配纠缠态。
“我们证明单一超薄光学表面既能创造量子纠缠态，又能同时向多个用户分配纠缠态，”彭与王表示。“传统方案需借助多个独立光学元件——如分束器和波片——并精确对准稳定系统。而我们仅用单一紧凑型超表面就取代了所有复杂结构。”
研究团队通过系列初步测试验证了该装置性能，证实其可向21组不同信道对分配纠缠态。值得注意的是，该超表面能生成四种基本双光子纠缠态。
彭和王指出：“理论上通过重新设计表面结构，这些数量可大幅提升。”
“随着量子网络扩展，用户间连接数量激增，传统光学方案将难以应对。我们的成果表明，超表面技术为构建全互联量子网络开辟了新路径——采用紧凑、无源且稳健的设备即可实现。”
未来前景与研究方向
这项最新研究凸显了精心设计的纳米结构表面在量子信息处理中的潜力，证明其既可作为光学元件，又能直接实现纠缠态的工程化。
未来，彭、王及其合作者创建的超表面有望进一步优化，用于构建更小巧稳定的芯片级量子通信系统，使其更易于在现实场景中部署。
彭和王表示：“基于这项工作，我们的长期目标是将量子纠缠从实验室能力转化为可部署技术。”
"未来研究方向之一是开发便携式即插即用纠缠光子源——这本质上是量子信息系统的'瑞士军刀'。“此类设备可提供标准化纠缠模块，广泛集成于安全通信、量子网络、传感及计量等应用领域。”
后续研究中，团队将着力提升超表面的纠缠生成能力，并将其与支持路由的光子芯片集成。这将加速其未来量产与商业化进程，为构建大规模量子网络创造更广阔前景。
彭和王补充道：“更广泛而言，基于超表面的量子光子学提供了与半导体制造兼容的平台，为从实验室验证走向可靠可制造的量子器件开辟了现实路径。”
“我们正朝着标准化芯片级纠缠模块迈进——这类模块可实现量产、集成与部署，其发展轨迹与当今经典光子元件如出一辙。”
