南京大学最新Science：基于超透镜阵列的高维多光子量子源

【引言】

量子光学系统具有光子速度快、相干时间长、可控性强和信息容量大等优点，是量子信息处理研究中最具吸引力的物理系统之一。它们广泛应用于量子通信、量子计算与仿真、量子计量与传感等领域。随着量子技术的发展，对纠缠维数和光子数的要求越来越高，对大规模、可控、稳定的量子光子源提出了更高的要求。例如，量子通信和成像需要具有高维纠缠的光子，这可以通过使用不同自由度的光子来实现，包括轨道角动量（OAM）、时间纠缠、能量-时间、频率模式和光路。但这些方法都不能满足实际应用中高保真、大维数的要求。光子量子计算和计量依赖于多光子态，多光子态可以由非线性材料中的自发参量过程或通过时间复用量子点的自发发射来合成多个单光子源，但最大光子数限制在20个以内。虽然量子点在产生单光子方面表现出了优异的性能，但自发参量过程仍然是产生高维和多光子纠缠态的主要方法。基于此过程的集成光子系统的最新进展为大规模量子光源的研制提供了理想的平台。超颖表面由超薄界面中的电介质或金属亚波长天线的密集排列组成。通过控制光场的相位分布，被广泛地用于操纵光场的波前。超颖表面也已经在非经典区域中得到了应用。但是，基于超颖表面的量子光子源还没有被证明。

【成果简介】

今日，在南京大学王漱明教授、张利剑教授、王振林教授、祝世宁院士和香港理工大学蔡定平教授（共同通讯作者）团队等人带领下，与中国科学技术大学、台湾国立联合大学、国立台湾大学合作，通过将单超透镜阵列与非线性晶体集成，在10×10阵列中演示了100个路径自发参量下转换光子对源，显示了高维纠缠和多光子态产生的前景。同时演示了两维、三维和四维超透镜编码的不同相的双光子路径纠缠，其精确度分别为98.4%、96.6%和95.0%。此外，观察到四光子和六光子的产生，不同超透镜产生的光子具有很高的不可分辨性。基于超透镜阵列量子光子源结构紧凑、稳定、可控，为集成量子器件提供了一个新的平台。相关成果以题为“Metalens-array–based high-dimensional and multiphoton quantum source”发表在了Science。

【图文导读】

图1量子超透镜阵列的示意图和表征

图2 量子纠缠态的表征

图3 高维量子纠缠态表征

图4 基于超透镜阵列的多光子量子源

文献链接：Metalens-array–based high-dimensional and multiphoton quantum source（Science，2020，DOI:10.1126/science.aba9779）

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