日前，南京大學固體微結構物理國家重點實驗室王漱明、張利劍、王振林、祝世寧等與合作者在最新一期國際頂級期刊Science上發表了題為"Metalens-array-based high-dimensional and multi-photon quantum source"的文章，這是研究團隊在高維量子糾纏光源研究中取得的又一重大突破。
主要研究人員分別來自物理學院與現代工學院，南京大學為該項成果第一署名單位。李林博士（南京大學訪問學者，現華東師範大學研究員）、劉澤玄（南京大學博士生）、任希鋒副教授（中國科學技術大學）、王漱明副教授（南京大學）為本工作並列第一作者。南京大學張利劍教授、王漱明副教授、王振林教授、祝世寧院士和香港理工大學蔡定平教授為該項成果的並列通訊作者。
圖一：該團隊研製的消色差超構透鏡成像效果。
量子信息是目前國際上最前沿、最活躍的研究領域之一。隨著光量子信息技術的發展，現有的基於非線性光學過程的糾纏量子光源在維度擴展以及光子數增加方面面臨著光學系統複雜、可集成度低、穩定性弱等問題，並不能滿足量子通訊、量子計算、量子計量等領域對於高維、多光子的實用化需求，制約著光量子信息朝著大規模集成方向發展。最近，一種稱之為"超構表面"的微結構薄膜材料的研究與發展為量子光源及光量子信息技術的發展提供了一條全新的路徑。
固體微結構國家重點實驗室祝世寧院士與王振林教授團隊一直致力於光學超構材料和超構表面的研究。最近王漱明副教授、李濤教授等在超構透鏡設計和成像的研究方面取得了一系列重大的進展。他們提出相位拆分原理，解決了通過超構表面材料實現透鏡成像的寬帶消色差問題，設計出可見光寬帶連續消色差超構透鏡，實現了白光照明成像以及彩色圖片成像，如圖一所示。這是國際上現有報導的唯一使用超構表面實現的全彩成像的案例。（Nat. Nanotechnol. 14, 227-231 (2019)；Nat. Nanotechnol. 13, 227-232 (2018)；Nat. Commun. 8, 187 (2017)）
圖二：基於超構透鏡陣列的量子光源系統
在此研究基礎上，研究者將超構透鏡與非線性光學晶體（β相偏硼酸鋇晶體，簡稱BBO晶體）組合在一起，構成全新的超構表面量子光源系統。他們設計並製備出10×10的超構透鏡陣列，使用泵浦雷射入射到該系統，超構透鏡陣列將泵浦雷射均勻的分成10×10份，並在BBO晶體中聚焦；聚焦的泵浦光在BBO中發生自發參量下轉換過程，產生一系列信號/閒置光子對，理論上這一結構製備出的路徑糾纏光子的維度為100，也能產生多光子。 如果增加透鏡陣列數，糾纏光子的維度還可以進一步提高。
圖三：製備的高維糾纏態的表徵。
實驗上他們採用波長為404 nm的連續雷射作為泵浦光，測量了由超構透鏡陣列中不同的超構透鏡產生的光子之間的糾纏特性。實驗測得所構成的二維、三維以及四維路徑糾纏態的保真度分別達到98.4%，96.6%和95.0%，如圖三所示。不僅如此，超構透鏡具有靈活的光場調控能力，可以對光場的相位、偏振、振幅等集成調控，從而進一步調製糾纏態。在該項工作中，研究團隊通過對超構透鏡的相位設計，對所製備的量子糾纏態進行了精細的相位編碼，並通過實驗進行了很好的證明。另外，該系統也可以用於製備簡易緊湊的多光子源。實驗中利用415 nm的飛秒雷射作為泵浦源，分別測量了由該系統製備的4光子和6光子的符合曲線，並展示了4光子Hong-Ou-Mandel幹涉的結果，得到很高的幹涉對比度，證明產生的多光子量子光源具有很好的性質。
該工作通過將新興研究領域——超構表面技術引入量子信息領域，實現了高維度、集成化的雙光子、多光子糾纏光源，突破了現有量子光源的技術瓶頸和信息編碼維度限制，有望應用於高維度的量子通信、量子計算、量子存儲等領域，對於發展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技術具有重要意義。該研究得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金等項目和南京大學卓越計劃的支持。
拓展閱讀
南京大學固體微結構物理國家重點實驗室於1984年成立，1987年通過國家驗收，1995年被批准開放，是由國家計委首批投資建設的國家重點實驗室之一。實驗室以凝聚態物理學、材料科學和信息科學等多學科交叉融合為依託，面向量子調控等重大前沿科學問題和國民經濟發展的重大需求，圍繞微結構材料的設計、製備、性質及其應用等重大科學問題與技術關鍵，以量子調控研究、人工納米結構材料與器件等為主要研究方向，設計、製備微米、亞微米、納米尺度的新結構，揭示新的量子效應，發展量子調控科學，進而發展新一代的光電器件及其應用，以期為技術創新提供科學積累，促成我國新一代信息技術的跨越式發展。通過凝聚各方資源，建設成為從事高水平科學研究、擁有高層次實驗研究平臺和高素質的科學技術隊伍、具有學科交叉、人才匯聚、管理科學、流動開放等特徵的有重要國際影響的微結構研究基地和國家科技現代化的創新平臺。國際著名刊物《Nature》曾在一篇評述性文章中[ Vol. 389 （1997）113 ] 評價固體微結構物理實驗室是亞太地區（除日本以外）"已經接近世界級水平"的研究機構之一。