量子光子學是量子領域的重要研究方向之一，它利用了光在量子水平的獨特特性。該領域的核心是確定性單光子源，它通過自發輻射依次發射單個光子，是量子通信、計算和安全加密的基石。然而，在環境條件下，光與固態單光子發射器（SPE，例如量子點、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。要創建復雜的量子光態并充分利用單光子的多個自由度（如偏振和軌道角動量），就必須構建由一系列分立元件（例如偏振器、波板、透鏡、空間光調制器等）組成的復雜光學系統。這種方法本身就很不友好，因為配置龐大、對準困難、不穩定、損耗大、功能有限。

光學超構表面（metasurface）是一種以精心設計的模式排列的極薄納米天線，在操縱經典和非經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提供了一個獨特而有前景的平臺。特別是，光學超構表面為產生和操縱光子的量子態提供了新平臺，為集成量子光子器件提供了控制量子光的新方法。

據麥姆斯咨詢介紹，由莫納什大學Chi Li博士和Haoran Ren博士、浦項科技大學Junsuk Rho教授以及悉尼科技大學Igor Aharonovich教授領導的聯合研究團隊，開發出了一種新型多功能超構透鏡（metalens），重新定義了室溫下六方氮化硼（hBN）中SPE量子發射的控制。這項研究成果展示了量子光子學的飛速發展，已經以“Arrarily structured quantum emission with multifunctional metalens”為題發表于eLight期刊。

這種設計的超構透鏡能同時映射來自hBN中超亮缺陷的量子發射，并將任意波前印刻到光源的正交偏振態上，同時塑造方向性、偏振和軌道角動量（OAM）。因此，這種混合量子超構透鏡系統可以同時操縱量子光源的多個自由度。在其設計中，研究人員利用低損耗氫化非晶硅作為構建超構透鏡單元的材料，這種材料在hBN SPE發射光譜中的消光系數可以忽略不計，因此實現了高達0.3的收集效率。利用這一設計，研究人員制作了三種不同的偏振分離超構透鏡，并用SPE進行了測量，驗證了它們同時控制單光子發射方向性和偏振性的能力。此外，研究人員還實現了更復雜的超構透鏡，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）。

使用多功能超構透鏡多維度操縱hBN量子發射的示意圖

偏振分束超構透鏡的設計和表征

這項研究展示了超構透鏡操縱hBN缺陷量子發射的能力，可將任意波前印刻到正交偏振態上。超構透鏡的多功能性為實現先進量子計算、安全通信和增強的量子傳感提供了重要基礎。研究人員認為，這種量子超構表面具有以獨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的獨特使能平臺而迅速發展。

盡管這項研究具有開創性，但用于操縱hBN SPE單光子發射的多功能超構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直接集成到超構透鏡中，但調整器件架構以及排列方法并非易事，有待進一步研究。另外，仍有待開發能夠同時產生光子態并進行高維量子糾纏的集成量子超構表面芯片。此外，迄今已展示的量子超構表面的靜態性質嚴重限制了其功能范圍，因此需要開發時空量子超構表面，為平面量子光子學提供新的研究途徑和突破。

審核編輯：劉清