“超表面”器件能集成光子量子操作

科技日报记者 张佳欣

据最新一期《科学》杂志报道，美国哈佛大学研究人员开发出一种新型光学器件，即“超表面”，可在单一的平面上完成复杂量子操作。超表面可同时承担多种传统光学元件功能，解决了光子量子信息处理领域长期存在的体积庞大、组件繁多等扩展性难题，有望推动常温下量子计算和量子网络的实现。

光子是光的基本粒子，具有高速、抗干扰的特性，正逐渐成为常温下高速传输信息的有力候选者。通常，要将光子引导至所需的量子态，需要在大型芯片上布设复杂的波导结构，或使用由透镜、反射镜、分束器等构成的庞大装置。这些组件使光子之间能够实现纠缠，而纠缠正是量子信息并行传输与处理的关键机制。

然而，构建并维护这样的复杂系统颇具挑战，因为它们依赖大量精密易损的部件，难以扩展。如果大部分装置可以被一个超薄的单一表面取代，使所需构件大大减少，而它操控光的方式却丝毫不逊于传统系统，会怎么样？

此次，哈佛团队开发的超表面提供了一种集成化解决方案，有望彻底革新量子计算与量子通信。

所谓“超表面”，是指厚度达到纳米级的光学元件，其表面布满比光波波长还小的微纳结构，能共同精准调控光的相位、偏振等属性，相当于将传统复杂的量子光学系统“浓缩”为一个微型平台，大幅提升了系统的稳定性和抗干扰能力。

为实现这一设计，研究团队还创新性地引入图论这一数学工具，对多光子干涉路径进行建模，再将这些抽象图转化为超表面上实际的纳米结构布局。研究人员指出，这种方法将超表面设计与量子光学态紧密对应，仿佛是一枚硬币的两面，从而为构建特定量子态的器件提供了系统化路径，拓展了量子研究与应用的可能性。

此外，该器件在实际应用中也表现出显著优势。其一体化设计大幅减少了光学损耗，这对保持量子信息的完整性至关重要。更重要的是，该装置可通过现有半导体制造工艺批量生产，预示着未来有望实现低成本、可复制的量产模式。

研究人员指出，这项技术的潜力远不止量子计算。基于超表面的量子光学系统不仅有望推动常温量子计算机和通信网络的发展，也可能在量子传感、基础科研等领域带来“芯片实验室”式的新工具。