导读

近期，香港城市大学蔡定平院士团队在Light: Advanced Manufacturing发表了题为“Quantum meta-devices”的综述论文。

在量子光子学的研究中，如何实现光学平台的小型化和集成化一直是重要挑战。近年来，超表面凭借在亚波长尺度上灵活调控光场的能力，为量子光源制备、量子态操控与探测等方向带来了新的可能。该综述系统梳理了超构器件在量子光学信息处理中的工作原理与典型应用，涵盖量子光源、量子干涉、量子探测等多个方面，并深入探讨了其在量子成像、量子计量、量子通信和量子计算等领域的应用前景。该工作为构建紧凑化、可扩展的量子信息处理平台提供了新思路，对推动未来量子超构器件的发展具有重要意义。

图1：量子超构器件

光子由于具有长相干时间、易操控、高速传输以及适应广泛温度环境等特性，被认为是实现量子信息处理的理想载体。在过去几十年中，量子通信、量子计算和量子成像等领域的诸多突破性进展，均得益于光子系统的发展。然而，与其他固态体系相比，基于光子的量子信息处理平台往往体积庞大，限制了其实用化进程。实现光学器件的小型化与集成化，成为推动量子技术走向应用的关键。

近年来，超表面与超构器件的发展为这一挑战提供了全新思路。它们由亚波长结构单元组成，能够在极薄的平面上灵活调控光的相位、偏振、振幅、波长等参量。凭借这种独特的调控能力，超表面可以在单个器件中集成多种功能，取代传统体积庞大的光学元件。同时，因其与CMOS工艺兼容，超构器件能够与光子芯片平台结合，为构建紧凑化、可扩展的量子光学系统提供了可能。

在这一背景下，量子超构器件的研究应运而生。它不仅有望实现高效的单光子与多光子源，还能推动量子干涉网络与单光子探测器的性能提升，从而在量子通信、量子计算、量子计量和量子成像等应用中展现巨大潜力。

1 量子光源

量子光源是量子信息处理中的核心，其作用在于产生单光子、纠缠光子对，为量子通信、量子计算和量子成像等应用提供基础资源。光子对生成的常见实现方式是自发参量下转换（SPDC）（图2）。在这一过程中，高频泵浦光子在非线性晶体中转化为一对低频光子，二者的频率与波矢受到能量和动量守恒的严格约束，从而形成具有相关性甚至纠缠性的量子态。然而，传统的SPDC光源往往依赖体积庞大的非线性晶体，不仅耦合效率有限，而且器件难以实现小型化和集成化。

近年来，超表面和超构器件的引入为量子光源的发展带来了新的机遇。通过在亚波长尺度上构建精细的结构，可以激发Mie共振、晶格共振或BICs等模式，从而实现强局域场增强，显著提升光子对的产生速率。同时，超表面的独特调控能力能够突破传统相位匹配的限制，使得光子对在频率分布、发射方向和角度控制上具备更高的灵活性，从而为实现多样化的量子态提供支持。除纠缠光子对外，单光子光源的研究同样受益于超构器件的发展。通过在光源周围引入谐振结构，可以提升自发辐射速率，提高亮度；借助超透镜等设计，可以实现单光子的高效收集与定向发射；而超表面对偏振、轨道角动量和相位等多自由度的调控，能够支持更高维度的量子态编码，为单光子赋予了可编程特性。此外，结合主动材料，还可以实现单光子发射的动态调制与开关控制，为灵活的量子光源提供可能。

图2：SPDC过程中的能量及动量守恒，以及产生纠缠光子对的原理

2 光子干涉及纠缠态调控

光子之间的干涉效应是量子光学区别于经典光学的核心特征，也是实现量子信息处理的关键机制。与经典系统中光波的简单叠加不同，量子态下的多光子相互作用会产生诸如Hong–Ou–Mandel（HOM）干涉等独特现象。在这一实验中，两颗完全相同的光子同时进入分束器，最终会以一定概率共同出射到同一个端口，而非分别出射（图3）。这一效应不仅揭示了光子不可区分性的本质，还能够用于生成特殊的量子态，如N00N态，为实现高精度干涉测量奠定了重要基础。

图3：HOM效应

超表面在量子干涉领域展现出强大的调控能力，通过其亚波长结构实现对光子路径、偏振和轨道角动量等多自由度的精确操控，从而支持HOM干涉、多光子纠缠态生成与测量等关键量子现象。其紧凑、可集成的特性为量子干涉实验提供了高度简化的平台，甚至能够实现非厄米调控下的连续量子态转换。此外，超表面还可用于光子不可区分性的快速表征和贝尔态的高效测量，显著提升了量子信息处理的集成度与功能性，为量子传感、通信和计算等应用提供了新的技术路径。

超表面的引入同时也为光子操控提供了新的手段。由于其能够在亚波长尺度上同时调控光的相位、偏振、振幅和轨道角动量，超构器件不仅可以实现分束器等基础功能，还能够扩展到对光子多自由度的联合调控。例如，通过特定设计的结构，可以在一个平面器件中完成偏振与轨道角动量的复合变换，从而在量子干涉实验中展现更高维度和更复杂的光子态调控能力。

3 高效光子探测

超表面通过局域场增强、相干完美吸收和电磁模式简并等机制，显著提升了光子探测的效率和性能。吸收率可接近100%，甚至在单光子级别实现相干完美吸收，将光子高效耦合为等离激元模式。超表面吸收器还可与半导体探测器集成，在宽波段内实现高效光电转换，为量子光学系统提供了高灵敏度、低损耗的单光子探测方案。

总结与展望

该综述系统总结了超构器件在量子光子学中的最新进展，涵盖量子光源、干涉网络和单光子探测等方面。通过亚波长结构实现的紧凑化与集成化设计，为构建新一代量子信息处理平台提供了有效途径。随着研究的不断推进，量子超构器件有望在未来量子技术的发展中发挥重要作用。

在文章结尾，作者同时展望了量子超构器件未来几个富有前景的研究方向，主要包括量子成像、量子计量、量子计算与量子通信等。量子成像可借助光子对关联突破传统成像系统的性能极限；量子计量旨在利用纠缠态等非经典光突破经典测量的精度限制；量子超构器件为实现高集成度的光量子计算提供了新的技术路径；其在波前与偏振调控方面的卓越能力也有望为安全的量子通信做出关键贡献。这些方向的突破将共同推动量子技术从实验室走向实际应用。（来源：先进制造微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.37188/lam.2025.059