摘要：随着研究人员致力于使量子计算机和网络更加实用，光子——构成光的基本粒子——正逐渐成为快速传输信息的有希望的候选者，即使在室温下也是如此。通常，引导光子进入正确的量子态需要在大型微芯片上布置复杂的波导，或者使用透镜、镜子和分束器构建笨重的装置。这些组件使光子发生

哈佛大学的工程师们建造了一个芯片厚度的超表面，可以取代整个量子光学装置。

光子能：可扩展量子设备的探索

随着研究人员致力于使量子计算机和网络更加实用，光子——构成光的基本粒子——正逐渐成为快速传输信息的有希望的候选者，即使在室温下也是如此。通常，引导光子进入正确的量子态需要在大型微芯片上布置复杂的波导，或者使用透镜、镜子和分束器构建笨重的装置。这些组件使光子发生纠缠，这是一个关键的量子过程，使它们能够并行地携带和处理信息。然而，构建和维护如此复杂的系统极具挑战性，因为它们依赖于大量精密的部件，因此难以扩展。

如果所有这些组件都可以被一个单一的、超薄的表面所取代，并且以完全相同的方式操纵光线，同时使用更少的制造元件，那会怎样？

哈佛大学在平面量子光学领域取得突破

哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的一个研究团队实现了这一目标。在应用物理学教授费德里科·卡帕索（Federico Capasso）和电气工程高级研究员文顿·海耶斯（Vinton Hayes）的带领下，该团队开发了专门的超表面。这些扁平器件上刻有纳米级图案，可以控制光线，并可作为传统量子光学硬件的紧凑替代品。

该研究发表在《科学》杂志上，并获得了空军科学研究办公室（AFOSR）的资金支持。

轻松扩展量子系统

研究团队证明，超表面可以产生纠缠光子态并执行复杂的量子操作——就像使用许多独立组件的大型光学系统一样。

“我们在解决可扩展性问题上引入了一项重大的技术优势，”研究生兼第一作者 Kerolos MA Yousef 说道。“现在我们可以将整个光学装置小型化为一个非常稳定且坚固的超表面。”

为什么超表面会改变游戏规则

他们的研究结果暗示，未来可能出现颠覆性光学量子器件，其基础并非波导、分束器等传统且难以规模化的元件，甚至也并非扩展型光学微芯片，而是抗误差的超表面。这种超表面拥有诸多优势：无需复杂对准的设计、抗扰动能力强、成本效益高、制造简便、光学损耗低。广义上讲，这项研究体现了基于超表面的量子光学，它除了为室温量子计算机和网络开辟道路外，还能助力量子传感，或为基础科学提供“芯片实验室”功能。

设计一个能够精细控制亮度、相位和偏振等特性的单个超表面面临着独特的挑战，因为一旦光子数量（进而是量子比特的数量）开始增加，数学计算就会变得非常复杂。每个额外的光子都会引入许多新的干涉路径，在传统设置中，这需要快速增加分束器和输出端口的数量。

图论：秘密武器

为了使复杂性变得有序，研究人员借助了数学的一个分支——图论，它使用点和线来表示连接和关系。通过将纠缠光子态表示为许多连接的线和点，他们能够直观地确定光子如何相互干扰，并预测它们在实验中的影响。图论也用于某些类型的量子计算和量子误差校正，但通常不被考虑在超表面的背景下，包括其设计和操作。

灯光与逻辑的统一设计

该论文是与 Marko Lončar 实验室合作完成的，该实验室的团队专门研究量子光学和集成光子学，并提供了所需的专业知识和设备。

“我对这种方法感到兴奋，因为它可以有效地扩展光量子计算机和网络——与超导体或原子等其他平台相比，这一直是它们面临的最大挑战，”研究科学家尼尔·辛克莱说道。“它还为理解、设计和应用超表面，尤其是在产生和控制量子光方面，提供了新的见解。通过图方法，在某种程度上，超表面设计和光量子态成为了同一枚硬币的两面。”

该研究获得了包括空军科学研究办公室（AFOSR）在内的联邦政府机构的支持，资助编号为FA9550-21-1-0312。该研究由哈佛大学纳米系统中心完成，该中心获得了美国国家科学基金会（NSF）资助，资助编号为ECCS-2025158。

来源：科学话你知