利用多功能超构透镜变革固态单光子源研究

量子光子学是量子领域的重要研究方向之一，它利用了光在量子水平的独特特性。该领域的核心是确定性单光子源，它通过自发辐射依次发射单个光子，是量子通信、计算和安全加密的基石。然而，在环境条件下，光与固态单光子发射器（SPE，例如量子点、金刚石氮空位色心、二维材料中的缺陷）之间的相互作用非常微弱，难以控制。因此，由此产生的单光子源存在许多问题，例如收集效率低、缺乏方向性以及偏振/相位特性差等。要创建复杂的量子光态并充分利用单光子的多个自由度（如偏振和轨道角动量），就必须构建由一系列分立元件（例如偏振器、波板、透镜、空间光调制器等）组成的复杂光学系统。这种方法本身就很不友好，因为配置庞大、对准困难、不稳定、损耗大、功能有限。

光学超构表面（metasurface）是一种以精心设计的模式排列的极薄纳米天线，在操纵经典和非经典光的所有特性方面具有前所未有的潜力，从而为量子纳米光子学提供了一个独特而有前景的平台。特别是，光学超构表面为产生和操纵光子的量子态提供了新平台，为集成量子光子器件提供了控制量子光的新方法。

据麦姆斯咨询介绍，由莫纳什大学Chi Li博士和Haoran Ren博士、浦项科技大学Junsuk Rho教授以及悉尼科技大学Igor Aharonovich教授领导的联合研究团队，开发出了一种新型多功能超构透镜（metalens），重新定义了室温下六方氮化硼（hBN）中SPE量子发射的控制。这项研究成果展示了量子光子学的飞速发展，已经以“Arrarily structured quantum emission with multifunctional metalens”为题发表于eLight期刊。

这种设计的超构透镜能同时映射来自hBN中超亮缺陷的量子发射，并将任意波前印刻到光源的正交偏振态上，同时塑造方向性、偏振和轨道角动量（OAM）。因此，这种混合量子超构透镜系统可以同时操纵量子光源的多个自由度。在其设计中，研究人员利用低损耗氢化非晶硅作为构建超构透镜单元的材料，这种材料在hBN SPE发射光谱中的消光系数可以忽略不计，因此实现了高达0.3的收集效率。利用这一设计，研究人员制作了三种不同的偏振分离超构透镜，并用SPE进行了测量，验证了它们同时控制单光子发射方向性和偏振性的能力。此外，研究人员还实现了更复杂的超构透镜，除了方向性和偏振性之外，还能编码不同的螺旋相位波前（OAM模式）。

使用多功能超构透镜多维度操纵hBN量子发射的示意图

偏振分束超构透镜的设计和表征

这项研究展示了超构透镜操纵hBN缺陷量子发射的能力，可将任意波前印刻到正交偏振态上。超构透镜的多功能性为实现先进量子计算、安全通信和增强的量子传感提供了重要基础。研究人员认为，这种量子超构表面具有以独立且同步方式控制光子多个自由度的卓越能力，将作为生成、路由并操纵量子光态的独特使能平台而迅速发展。

尽管这项研究具有开创性，但用于操纵hBN SPE单光子发射的多功能超构透镜仍然是外部元件，即与光子源分立。通过添加透明垫片（transparent spacer）可以将hBN SPE直接集成到超构透镜中，但调整器件架构以及排列方法并非易事，有待进一步研究。另外，仍有待开发能够同时产生光子态并进行高维量子纠缠的集成量子超构表面芯片。此外，迄今已展示的量子超构表面的静态性质严重限制了其功能范围，因此需要开发时空量子超构表面，为平面量子光子学提供新的研究途径和突破。

审核编辑：刘清