南京大学物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究团队利用超构表面实现量子纠缠的产生与调控和多通道分发(获PRL编辑推荐 & Physics亮点推介)

在本研究中，该团队创新性地提出并实验验证了基于单一超构表面实现偏振纠缠的产生与调控以及多通道分发（原理示意见图1）。该超构表面由尺寸与旋转角度各异的硅纳米棒结构单元构成，每个结构单元能够对入射光子沿结构单元主轴方向的两种正交线偏振分量引入可独立设计的附加相位。通过亚波长尺度的相位调控，超构表面被设计成具有N个空间输出通道，每个通道对应一种等效波片，从而对入射的双光子偏振态进行量子态调控。当彼此偏振正交、其他自由度全同的双光子入射该超构表面时，其在各通道间会发生双光子干涉。由于每个光子都有N种可能的输出通道，因此任意选择两个通道进行符合测量，均可获得一种偏振纠缠态。该系统可在N(N-1)/2个通道组合中产生并分发偏振纠缠态，实现全通道组合的纠缠态分发。

图1. 通过多通道超构表面的双光子量子干涉效应，实现四种贝尔态的构建与全通道组合纠缠分发示意图。

实验上，该团队利用微纳加工制备出尺寸约为400 μm × 400 μm的硅纳米结构超构表面，可产生7个独立输出通道。单光子测量结果（图2）表明，每个通道均具备偏振转换能力。进一步地，将非纠缠且偏振正交的双光子对入射至该超构表面，7 个输出通道形成总共21种通道组合，分别对应4种贝尔态。对全部组合进行的量子态层析展示重构密度矩阵具有高保真度，并且 CHSH 不等式违背和偏振干涉测量（详见图3中的左图）均验证了光子对在每一通道组合中具有明确的偏振纠缠特性。结果表明，单块百微米尺度的超构表面即可实现四种贝尔态的构建与全通道组合的纠缠分发，为量子网络的紧凑化与集成化提供了有效路径。

图2. 实验制备的硅超构表面SEM图以及单光子实验结果。

值得强调的是，该系统具备高度的可调控性。当入射双光子偏振态发生变化时，输出的偏振纠缠态随之调制（详见图3中的右图），但整体仍保持对4种贝尔态的全覆盖。此外，通过改变超构表面设计，可进一步调控输出通道的数量和偏振纠缠态的具体形式。例如可将输出通道拓展至13个，对应78种通道组合。这一基于超构表面的策略有望显著提升全连接量子网络的集成化和小型化，为构建面向多用户需求的集成化、小型化的光量子网络器件提供了重要的原型基础。

图3. 光子对入射到超构表面，在21个通道组合中产生并分发四种贝尔态（左图）；光子对入射到超构表面，在21个通道组合中产生并分发四种贝尔态（右图）。

这一方案的优势在于仅需利用百微米级尺寸的单一超构表面即可替代传统方案需要由多种光学元件构成的复杂系统。同时，多通道、多贝尔态的分发结果展现了高度灵活的量子网络构建能力。该研究结果展示了超构表面对量子纠缠的产生、调控和多通道分发能力，推动发展集成化、可扩展的量子光学平台，为构建满足多用户需求的集成化、小型化的光量子网络提供新的可能途径。