▍導讀

澳大利亞莫納什大學的Haoran Ren博士、Chi Li博士和悉尼科技大學的Igor Aharonovich教授、韓國浦項工業大學Junsuk Rho教授等合作，報道了一種新型多功能超透鏡，用于多維度光量子的操控。該新型超透鏡可在室溫下同時調制光量子的方向性、偏振態和軌道角動量自由度。

該成果發表在期刊eLight，題為“Arbitrarily structured quantum emission with a multifunctional metalens”。

▍量子光源

光子又稱光量子，最早于1905年由愛因斯坦提出并證實，是光在其電磁波頻率下的最小能量單元。光子可以攜帶信息、能量和動量，從而實現光與物質的交互。量子光源（單光子源）區別于傳統的白熾燈，熒光燈，以及激光，脈沖激光等光源，前者在時間上每次僅發射一個光子，先后出發的光子在空間上形成一束光子流 （如圖1所示）。這類特殊的光源是量子信息，量子通訊和量子計算等技術的核心。光量子技術的大規模推廣和應用離不開器件的微型化和多功能化。例如我們熟知的電子設備，近幾十年來在體積變小的同時，實現了更強大和更豐富的功能。相較之下，量子光源的操控仍依賴于傳統光學器件，如透鏡、分束器、偏振器等，不但體積巨大，往往只能對光量子的某一屬性進行單一的操作，難以滿足復雜光量子調控的需求。

圖1：固態單光子發射器示意圖。

固態單光子發射器（SPE），例如二維材料六方氮化硼（hBN）中的色心，可在室溫下運行，并且由于其穩健性和亮度而備受推崇。從SPE收集光子的傳統方式依賴于高數值孔徑（NA）的透鏡。雖然這種方式的光子收集效率很高，但缺乏多維度操縱的能力。例如為了實現光量子的任意相位調控，需要級聯多個厚重的光學元件，如偏振器和相位板等。

近年來，超透鏡（metalens）作為一種新型的超薄平面光學器件，引起了廣泛的關注和研究。超透鏡是利用亞波長尺度的人工結構（超表面）來實現對入射光的相位、振幅和偏振等屬性的精確控制，從而實現聚焦、成像、調制等功能。超透鏡微型光量子操控平臺具有體積小、重量輕、成本低、集成度高等優點，為緊湊化和多功能化的光學系統提供了新的可能。

▍微型光量子操控平臺

針對上述問題，澳大利亞莫納什大學的Haoran Ren博士、Chi LI博士領銜的國際科學家團隊開發出一種全新的多功能超透鏡，實現了室溫下對hBN中SPEs的多維度量子操控。這個新超透鏡可以同時調節單光子的方向性、偏振態和軌道角動量等自由度 （如圖2A 所示）。超透鏡的多功能性是通過對超透鏡中每一個納米結構賦予多個獨立功能并最終疊加實現的，即賦予所有空間位置的納米結構以獨立的相位調節能力（圖2 B,C）。通過引入不同的螺旋波前，可在不同的正交偏振中產生獨特的軌道角動量模式（圖2C，甜甜圈形狀）。

圖2：超透鏡單光子調控示意圖。A：調控維度展示。超透鏡多功能實現方案，B、C：方向性。

▍前景展望

該團隊展示了量子發射在多個自由度上任意波前塑形的能力，可以釋放固態單光子發射器作為高維量子源用于先進量子光學應用的全部潛力。該團隊認為，偏振分離對于將來使用hBN SPEs進行偏振糾纏至關重要。操控光子偏振態可顯著影響量子密碼學和糾纏態分發。超透鏡未來可實現高維單光子混合量子態的生成。將基于結構光的量子光源與可靠的傳輸環境（例如光纖）進行集成，可以實現具有更高信息容量、噪聲魯棒性和更好安全性的量子網絡。

| 論文信息 |

Li, C., Jang, J., Badloe, T. et al. Arbitrarily structured quantum emission with a multifunctional metalens. eLight 3, 19 (2023). 

https://doi.org/10.1186/s43593-023-00052-4

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