量子信息是目前国际上最前沿、最活跃的研究领域之一。随着光量子信息技术的发展，现有的基于非线性光学过程的纠缠量子光源在维度扩展以及光子数增加方面面临着光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题，并不能满足量子通讯、量子计算、量子计量等领域对于高维、多光子的实用化需求，制约着光量子信息朝着大规模集成方向发展。最近，一种称之为"超构表面"的微结构薄膜材料的研究与发展为量子光源及光量子信息技术的发展提供了一条全新的路径。
图一：该团队研制的消色差超构透镜成像效果。
固体微结构国家重点实验室祝世宁院士与王振林教授团队一直致力于光学超构材料和超构表面的研究。最近王漱明副教授、李涛教授等在超构透镜设计和成像的研究方面取得了一系列重大的进展。他们提出相位拆分原理，解决了通过超构表面材料实现透镜成像的宽带消色差问题，设计出可见光宽带连续消色差超构透镜，实现了白光照明成像以及彩色图片成像，如图一所示。这是国际上现有报道的唯一使用超构表面实现的全彩成像的案例。（Nat. Nanotechnol. 14, 227-231 (2019)；Nat. Nanotechnol. 13, 227-232 (2018)；Nat. Commun. 8, 187 (2017)）
在此研究基础上，研究者将超构透镜与非线性光学晶体（β相偏硼酸钡晶体，简称BBO晶体）组合在一起，构成全新的超构表面量子光源系统。他们设计并制备出10×10的超构透镜阵列，使用泵浦激光入射到该系统，超构透镜阵列将泵浦激光均匀的分成10×10份，并在BBO晶体中聚焦；聚焦的泵浦光在BBO中发生自发参量下转换过程，产生一系列信号/闲置光子对，理论上这一结构制备出的路径纠缠光子的维度为100，也能产生多光子。 如果增加透镜阵列数，纠缠光子的维度还可以进一步提高。
图二：基于超构透镜阵列的量子光源系统
实验上他们采用波长为404 nm的连续激光作为泵浦光，测量了由超构透镜阵列中不同的超构透镜产生的光子之间的纠缠特性。实验测得所构成的二维、三维以及四维路径纠缠态的保真度分别达到98.4%，96.6%和95.0%，如图三所示。不仅如此，超构透镜具有灵活的光场调控能力，可以对光场的相位、偏振、振幅等集成调控，从而进一步调制纠缠态。在该项工作中，研究团队通过对超构透镜的相位设计，对所制备的量子纠缠态进行了精细的相位编码，并通过实验进行了很好的证明。另外，该系统也可以用于制备简易紧凑的多光子源。实验中利用415 nm的飞秒激光作为泵浦源，分别测量了由该系统制备的4光子和6光子的符合曲线，并展示了4光子Hong-Ou-Mandel干涉的结果，得到很高的干涉对比度，证明产生的多光子量子光源具有很好的性质。
图三：制备的高维纠缠态的表征。
该工作通过将新兴研究领域——超构表面技术引入量子信息领域，实现了高维度、集成化的双光子、多光子纠缠光源，突破了现有量子光源的技术瓶颈和信息编码维度限制，有望应用于高维度的量子通信、量子计算、量子存储等领域，对于发展具有更高信息容量和更高安全性的量子信息技术具有重要意义。
主要研究人员分别来自物理学院与现代工学院，南京大学为该项成果第一署名单位。李林博士（南京大学访问****，现华东师范大学研究员）、刘泽玄（南京大学博士生）、任希锋副教授（中国科学技术大学）、王漱明副教授（南京大学）为本工作并列第一作者。南京大学张利剑教授、王漱明副教授、王振林教授、祝世宁院士和香港理工大学蔡定平教授为该项成果的并列通讯作者。该研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目和南京大学卓越计划的支持。
