研究人员首次展示了一种基于元透镜阵列的量子光源。该方法为高维光子纠缠和多光子相干控制提供了一个有前途的平台，使其适合用来推进量子安全通信、量子计算和其他量子应用。

这项工作利用了在光学表面上微小、精确排列的纳米/微结构来控制光的能力，这被称为超构表面。来自香港理工大学的Din Ping Tsai将在7月26-30日举行的虚拟OSA先进光子学大会上介绍这项研究。

Tsai说：“我们的结果表明，超构表面可以为复杂量子态的生成和控制提供一条路径，不仅增加了量子系统的维数，还允许对多个光子进行相干控制，从而为先进的片上量子光子信息处理的发展提供了一个紧凑和实用的平台。”

量子技术可以利用光子(光的基本单位)对信息进行编码。传统的计算机只使用0和1这两种状态来编码信息，而量子设备则根据光子之间的关系来编码信息。一对纠缠光子可以包含多个量子态，这使得它们比传统数字系统能够存储更多的信息。

在一项新的工作中，Tsai和他的同事创造了一个量子光源，可以产生100对相互耦合叠加的纠缠光子。通过同时产生纠缠光子对，该方法可用于在微小芯片中编码大量信息。

为了实现这一点，研究人员将超透镜阵列(一种使用微小天线精确产生波前的超构表面)与一种非线性晶体(BaB2O4)相结合，将更高能量的光子转换为一对使用自发参数转换的低能量纠缠光子。该超透镜采用先进的纳米制造工艺，由一系列800纳米高的氮化镓(GaN)纳米柱组成。激光透过10x10的元透镜阵列，然后通过非线性晶体产生100个纠缠光子对。

由于光子之间的量子纠缠依赖于超构表面的设计，研究人员说，这种方法提供了比现有量子源更灵活的光操纵，为量子光学技术开辟了新的途径。Tsai说：“我们基于超透镜阵列的量子光子源非常紧凑且稳定可控，能为集成量子器件提供一个新的平台。”

研究人员分别以98.4%、96.6%和95.0%的保真度验证了二维、三维和四维量子态的结果。他们还证实了该源具有良好的光子不可分辨性(多光子量子源的一个重要特征)，以及适当的功率依赖性。

这一激动人心的新研究可能有助于量子信息科学在未来的日常生活中实现许多应用，如量子安全移动通信、电子邮件访问、在线交易、无现金支付、自动取款机和电子银行，以及人工智能、机器学习和神经网络等高级计算任务。（编译:Julien）