我校郭光燦院士團隊任希鋒副教授等人與南京大學祝世寧院士團隊，及香港理工大學、華東師范大學等單位合作，在高維、多光子量子糾纏光源研究中取得了重大突破。6月26日，研究成果以"Metalens-array-based high-dimensional and multi-photon quantum source"為題發(fā)表在《Science》上。

隨著光量子信息技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有的量子光源制備方案在提高糾纏維度以及糾纏光子數(shù)方面都面臨著光學系統(tǒng)復雜、可集成度低、穩(wěn)定性弱等問題，已經(jīng)不能滿足量子計算、量子通訊、量子計量等領(lǐng)域的需求，制約著光量子信息朝著大規(guī)模集成方向發(fā)展。最近， "超構(gòu)表面"的研究為量子光源及光量子信息技術(shù)的發(fā)展提供了一條全新的路徑。

研究者引入超構(gòu)表面技術(shù)，將超構(gòu)透鏡與非線性光學晶體組合在一起，構(gòu)成全新的超構(gòu)表面量子光源系統(tǒng)。他們制備出10X10的超構(gòu)透鏡陣列，該陣列將泵浦激光均勻地分成10X10份，在BBO晶體中聚焦發(fā)生自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換過程，可制備100維路徑糾纏，也可以產(chǎn)生多光子。增加透鏡陣列數(shù)還可以進一步提高糾纏光子的維度。

實驗測得所構(gòu)成的二維、三維以及四維路徑糾纏態(tài)的保真度分別達到98.4%，96.6%和95.0%。不僅如此，超構(gòu)透鏡具有靈活的光場調(diào)控能力，可以對光場的相位、偏振、振幅等集成調(diào)控。研究團隊通過對超構(gòu)透鏡的相位設(shè)計，對所制備的量子糾纏態(tài)進行了精細的相位編碼，并通過實驗進行了很好的證明。在多光子方面，研究者利用415 nm的飛秒激光作為泵浦源，測量了由該系統(tǒng)制備的4光子和6光子的符合曲線，并展示了4光子Hong-Ou-Mandel干涉的結(jié)果，得到很高的干涉對比度，證明產(chǎn)生的多光子量子光源具有很好的性質(zhì)。

該工作通過引入超構(gòu)表面技術(shù)，實現(xiàn)了高維度、集成化的雙光子、多光子糾纏光源，突破了現(xiàn)有量子光源的技術(shù)瓶頸和信息編碼維度限制，有望應用于高維度的量子通信、量子計算、量子存儲等領(lǐng)域，對于發(fā)展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技術(shù)具有重要意義。

李林博士（南京大學訪問學者，現(xiàn)華東師范大學研究員）、劉澤玄（南京大學博士生）、任希鋒副教授（中國科學技術(shù)大學）、王漱明副教授（南京大學）為本工作并列第一作者。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并列通訊作者。我校郭光燦院士，柳必恒副教授為合作作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術(shù)大學的資助。