量子光子學(xué)是量子領(lǐng)域的重要研究方向之一，它利用了光在量子水平的獨(dú)特特性。該領(lǐng)域的核心是確定性單光子源，它通過自發(fā)輻射依次發(fā)射單個光子，是量子通信、計(jì)算和安全加密的基石。然而，在環(huán)境條件下，光與固態(tài)單光子發(fā)射器（SPE，例如量子點(diǎn)、金剛石氮空位色心、二維材料中的缺陷）之間的相互作用非常微弱，難以控制。因此，由此產(chǎn)生的單光子源存在許多問題，例如收集效率低、缺乏方向性以及偏振/相位特性差等。要創(chuàng)建復(fù)雜的量子光態(tài)并充分利用單光子的多個自由度（如偏振和軌道角動量），就必須構(gòu)建由一系列分立元件（例如偏振器、波板、透鏡、空間光調(diào)制器等）組成的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)。這種方法本身就很不友好，因?yàn)榕渲谬嫶蟆?zhǔn)困難、不穩(wěn)定、損耗大、功能有限。

光學(xué)超構(gòu)表面（metasurface）是一種以精心設(shè)計(jì)的模式排列的極薄納米天線，在操縱經(jīng)典和非經(jīng)典光的所有特性方面具有前所未有的潛力，從而為量子納米光子學(xué)提供了一個獨(dú)特而有前景的平臺。特別是，光學(xué)超構(gòu)表面為產(chǎn)生和操縱光子的量子態(tài)提供了新平臺，為集成量子光子器件提供了控制量子光的新方法。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，由莫納什大學(xué)Chi Li博士和Haoran Ren博士、浦項(xiàng)科技大學(xué)Junsuk Rho教授以及悉尼科技大學(xué)Igor Aharonovich教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出了一種新型多功能超構(gòu)透鏡（metalens），重新定義了室溫下六方氮化硼（hBN）中SPE量子發(fā)射的控制。這項(xiàng)研究成果展示了量子光子學(xué)的飛速發(fā)展，已經(jīng)以“Arrarily structured quantum emission with multifunctional metalens”為題發(fā)表于eLight期刊。

這種設(shè)計(jì)的超構(gòu)透鏡能同時映射來自hBN中超亮缺陷的量子發(fā)射，并將任意波前印刻到光源的正交偏振態(tài)上，同時塑造方向性、偏振和軌道角動量（OAM）。因此，這種混合量子超構(gòu)透鏡系統(tǒng)可以同時操縱量子光源的多個自由度。在其設(shè)計(jì)中，研究人員利用低損耗氫化非晶硅作為構(gòu)建超構(gòu)透鏡單元的材料，這種材料在hBN SPE發(fā)射光譜中的消光系數(shù)可以忽略不計(jì)，因此實(shí)現(xiàn)了高達(dá)0.3的收集效率。利用這一設(shè)計(jì)，研究人員制作了三種不同的偏振分離超構(gòu)透鏡，并用SPE進(jìn)行了測量，驗(yàn)證了它們同時控制單光子發(fā)射方向性和偏振性的能力。此外，研究人員還實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的超構(gòu)透鏡，除了方向性和偏振性之外，還能編碼不同的螺旋相位波前（OAM模式）。

使用多功能超構(gòu)透鏡多維度操縱hBN量子發(fā)射的示意圖

偏振分束超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)和表征

這項(xiàng)研究展示了超構(gòu)透鏡操縱hBN缺陷量子發(fā)射的能力，可將任意波前印刻到正交偏振態(tài)上。超構(gòu)透鏡的多功能性為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)量子計(jì)算、安全通信和增強(qiáng)的量子傳感提供了重要基礎(chǔ)。研究人員認(rèn)為，這種量子超構(gòu)表面具有以獨(dú)立且同步方式控制光子多個自由度的卓越能力，將作為生成、路由并操縱量子光態(tài)的獨(dú)特使能平臺而迅速發(fā)展。

盡管這項(xiàng)研究具有開創(chuàng)性，但用于操縱hBN SPE單光子發(fā)射的多功能超構(gòu)透鏡仍然是外部元件，即與光子源分立。通過添加透明墊片（transparent spacer）可以將hBN SPE直接集成到超構(gòu)透鏡中，但調(diào)整器件架構(gòu)以及排列方法并非易事，有待進(jìn)一步研究。另外，仍有待開發(fā)能夠同時產(chǎn)生光子態(tài)并進(jìn)行高維量子糾纏的集成量子超構(gòu)表面芯片。此外，迄今已展示的量子超構(gòu)表面的靜態(tài)性質(zhì)嚴(yán)重限制了其功能范圍，因此需要開發(fā)時空量子超構(gòu)表面，為平面量子光子學(xué)提供新的研究途徑和突破。

審核編輯：劉清