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【导读】
目前，光学超构表面已被广泛用于控制光束的相位、偏振、振幅等信息。基于相应物理机制，平面透镜成像、超薄光学波片、光束波前整形、矢量全息成像等功能或者现象得以实现。相关进展极大丰富了我们利用亚波长厚度光学器件对电磁场（可见光、近红外光，太赫兹、微波等波段）进行调控的手段，为设计新型光学元件提供更坚实的光物理基础。最近，科研人员利用光学超构表面的精确波前控制能力为光量子的混合集成技术开辟了新的途径。来自德国帕德博恩大学的Thomas Zentgraf及其同事与斯图加特大学和中国南方科技大学的同行合作开发了一种基于非晶硅的全介质超构表面，利用该器件可以实现双光子的偏振纠缠和解纠缠。其原理是：纠缠双光子在超构表面上发生量子干涉产生路径纠缠的双光子NOON态，其量子HOM干涉的可见度达到86±4％。产生的NOON态可以再次反向通过超构表面并得以实现双光子间的圆偏振纠缠态的解码。此外，在基于超构表面干涉仪中，作者证明了干涉的非经典特性和量子相位灵敏度，相应的量子干涉条纹可见度为86.8±1.1％。由此证明了该项研究所展示的混合集成光量子系统，能够在超构表面上实现双光子量子态的高保真纠缠和解纠缠。这种能够纠缠和解纠缠双光子的光学超构表面有望为量子成像、量子传感等领域的技术发展提供了一条新的途径。相关研究成果以“Metasurface Interferometry toward Quantum Sensors” （面向量子传感器的光学超构表面干涉术）为题， 发表在《Light: Science & Applications》上（ DOI ：10.1038/s41377-019-0182-6）。
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Metasurfaces: A New Path to Hybrid Quantum Photonic Technologies
超构表面：通往光量子混合集成技术的新途径
作者：罗开红 德国帕德博恩大学物理系
李贵新 南方科技大学材料科学与工程系
【研究背景】
集成光量子技术已被广泛用于在各种量子系统中用以实现安全的量子通信、高效量子模拟和快速量子计量等用途。尽管在一种通用材料中实现大规模集成功能方面的已经取得一定的进展，未来我们仍需进一步发展高度小型化的混合集成系统以实现高维度量子信息处理功能。例如，在高维自旋 - 轨道角动量空间中传送光量子信息。在这一领域，我们发现在集成芯片上操控圆偏振光子对仍然是一个尚未解决的问题。
光学超构表面在实现对光的偏振、相位、振幅等自由度的调控具有非常强大的能力，目前已广泛用于实现平面透镜成像、矢量光束、高效率光学全息、非线性相位调控等。所有这些概念主要依赖于经典的电磁场描述，超构表面在量子应用方面的潜力仍然未被广泛探索。2018年，以色列理工的研究团队通过介质超构表面证明了光子的自旋和轨道角动量纠缠；澳大利亚国立大学的研究团队通过介质超表面可以一次实现光量子态的多维度投影，从而可精确测量出偏振态密度矩阵中的量子信息，包括振幅、相位、相干性、量子纠缠等。到目前为止的量子光学实验中，仅有有限的实验证据表明光学超构表面是否适合于量子态的高保真操纵。
【创新研究】
2019年，德国帕德博恩大学Thomas Zentgraf领导的团队展示了使用全介质超构表面实现双光子纠缠和解纠缠现象。由于量子干涉效应，超构表面允许产生具有圆偏振的双光子路径纠缠的NOON态。由此，他们观察到在超构表面的两个空间输出通道上的光子聚束效应，其量子HOM干涉表现出86±4％的可见度。然后，产生的纠缠光子对再次反向通过相同的超构表面，路径纠缠的双光子态可以解出纠缠并且不引入额外的相位信息。作者在基于超构表面干涉实验中证明了干涉的非经典性和量子相位灵敏度，其量子干涉条纹可见度为86.8±1.1％。实验表明，他们所展示的这种混合集成光量子系统，能够在超构表面上高保真地纠缠和解纠缠双光子量子态。从而证明了当前的光学超构表面技术可以直接应用于的量子技术场景。我们期望光学超构表面可为量子成像、量子传感和量子计算提供更为先进的解决方案。随着对量子光学超构表面的不断深入研究，有望为微型光量子混合集成系统提供更多新功能。
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(A) 全介质光学超构表面上双光子态的空间纠缠和解纠缠。一对具有正交线偏振的光子对同时到达具有相位梯度分布的硅光学超构表面，将其线偏振分别分成对应的圆偏振分量。由此得到的量子态是携带圆偏振信息并且空间纠缠的双光子NOON态。将NOON状态再次反向入射到超构表面上，圆偏振分量回到原始正交线偏振态并实现双光子对的解纠缠。(B) Hong-Ou-Mandel量子干涉测量。光学超构表面的两个输出通道之间的归一化符合计数与对应的双光子之间的时间延迟关系，超过50％经典极限的高可见度证实了预期的量子干涉效应。“反”-HOM的符合计数中的峰值再次证实了两个光子总是选择相同的输出通道。 (C) 基于超构表面干涉仪的量子测量。通过超构表面干涉仪后，对应于三个不同时间延迟τ的双光子态的干涉结果。测量的符合计数率显示双光子间隔延迟时间越长，干涉条纹的可见度越低。
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【参考文献】
1. P. Georgi et al. Metasurface interferometry toward quantum sensors. Light: Science & Applications 8: 70 (2019).
2. T. Stav, et al. Quantum entanglement of the spin and orbital angular momentum of photons using metamaterials. Science 361, 1101–1104 (2018).
3. K. Wang, et al. Quantum metasurface for multiphoton interference and state reconstruction. Science 361, 1104–1108 (2018).
https://www.nature.com/articles/s41377-019-0182-6
原文引自“两江科技评论”微信公众号。
原文地址：https://mp.weixin.qq.com/s/MCFHvh6tv0um0bi9BpOJIg
上海复享光学股份有限公司（简称：复享光学）诞生于中国的高校实验室，是一家高科技型光谱仪器公司。公司为科学家和工程师提供光谱产品、系统、服务。“让光谱简单"是公司发展理念，“光谱改变生活”是公司的愿景。
公司专注光谱仪器发展超过八年，获得国家高新技术企业资质，于2016年登陆新三板（NEEQ:838781）。公司位于复旦大学科技创业园，目前拥有约40名高学历工程师。公司官网：www.ideaoptics.com
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