量子信息是目前世界上最前沿、最活跃的研究领域之一。随着光量子信息技术的发展，现有的量子光源制备方案在提高纠缠维度以及纠缠光子数方面面临着光学系统复杂、可集成度低、稳定性弱等问题，制约着光量子信息朝着大规模集成方向发展。最近，李林研究员与来自南京大学、香港理工大学以及中国科技大学的团队合作提出一种新型的“超构表面”人工薄膜材料的研究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。

在这项研究中，他们将一组特别设计的超构透镜阵列与非线性光学晶体组合在一起，构成全新的超构表面量子光源系统。这个超构透镜阵列由10×10的超构透镜组成，它将泵浦激光均匀地分成100份并聚焦在非线性晶体BBO中间，发生自发参量下转换过程。这个过程可制备100维路径纠缠，也可以产生多光子。

实验中采用404nm的连续激光作为泵浦源，制备并测试了不同维度的纠缠态的情况。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均大于95%。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。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。在多光子方面，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。

该工作通过引入超构表面，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。

值得指出的是，该工作提出的将超构表面与量子信息技术相结合的研究仍然处于初步探索阶段，进一步利用超构表面在光场调控和系统集成方面的优势，将为更高维度的量子纠缠的制备及探测，实现先进实用的量子信息器件和系统创造巨大的机会。该工作发表于Science, 368, 1487-1490, (2020)。

图1：基于超构表面的量子光源系统。（a）超构表面量子光源示意图；（b）超构透镜阵列样品显微图像；（c）制备的100对自发参量下转换光束；（d）典型的4维纠缠态测试结果；（e）4光子HOM干涉测量结果