在2022 年8 月25 日發表於《科學》期刊上的一篇文章中，來自馬克斯·普朗克光科學研究所、弗里德里希-亞歷山大-埃爾蘭根-紐倫堡大學、以及桑迪亞國家實驗室的科學家們，詳細介紹了他們是如何“使用共振超表面來產生復雜量子態”的。據悉，通過讓泵浦光子穿過共振超表面，研究團隊已成功地創造了幾個不同頻率（波長）的糾纏光子對。

泵浦光子穿過共振超表面並產生不同波長的糾纏光子對

光子（photon）對包括量子態工程在內的諸多當代研究課題和技術都至關重要，而量子態工程（quantum state engineering）又是所有光量子技術的一塊基石。

在量子光學領域，工程師和科學家們正在努力創造新技術—— 比如新型超算和用於高度安全的通信信道的全新加密形式—— 而僅針對光子對的產生，研究人員就提出了各式各樣的理論。

傳統方案通常涉及在光學元件中使用兩種非線性效應之一來實現，即自發參量下變頻（SPDC）、或自發四波混頻（SFWM）—— 非線性效應會導致一兩個泵浦光子自發衰減成光子對。

然而這些效應需要對所涉及的光子加以嚴格的動量守恆控制—— 光子必須穿過的任何材料都具有色散特性，從而阻礙了目標的實現。

當然也有某些技術能夠做到這一點，只是它們通常也會嚴重限制其能夠產生光子對的狀態的多功能性。

正因如此，儘管非線性晶體和波導等傳統光學元件已經成功地產生了許多光量子，但它們的使用仍相當有限且繁瑣。

某個“超表面”的掃描電子顯微照片

不過來自馬克斯·普朗克光科學研究所、弗里德里希-亞歷山大-埃爾蘭根-紐倫堡大學的Tomás Santiago-Cruz 和Maria Chekhova，已攜手和桑迪亞國家實驗室的Igal Brener 研究小組，提出了基於“光學超表面”的新穎解決方案。

據悉，超表面（resonant meta Surface）特指一種厚度小於波長的人工層狀材料，它能夠實現對電磁波偏振、振幅、相位、極化方式、傳播模式等特性加以靈活有效的調整，你也可以將它視作“超材料”的2D 對應物。

在這項研究中，研究團隊使用了納米諧振器陣列，來組成所需的超薄平面光學器件。它們具有亞波長的厚度（幾百nm），較笨重的傳統光學設備更易接受處理。

更重要的是，由於厚度更薄，光子的動量守恆控制可以更加寬鬆（穿過較傳統光學設備少得多的材料）。根據不確定性原理，空間限制會導致不確定的動量。

基於此，研究人員能夠以相當的效率來發生多個非線性與量子過程，並且為那些無法在傳統光學元件中起效的新材料敞開了大門。

SCI Tech Daily指出：近年來，超表面正在成為量子光子來源研究實驗的一個焦點、且超表面可以同時在多個自由度上轉換光子—— 例如偏振、頻率和路徑。

在8 月25 日於《科學》期刊上發表的題為《用於產生復雜量子態的共振超表面》一文中，Maria Chekhove 與同事們首次展示瞭如何借助超表面來產生兩種不同的光子對。

特定波長的光子可同時與兩個（及以上）不同波長的光子配對，從而允許人們在不同顏色的光子間創建多個鏈接。

此外與相同厚度的均勻源頭、相比，超表面的共振特性，可讓光子發射率提升多個數量級。

Tomás Santiago-Cruz 補充道：“超表面正在引領量子光學的範式轉變，因為它將超小型的量子光源、與量子態工程的深遠可能性結合到了一起”。

展望未來，這些特徵將有助於構建規模異常龐大的複雜量子態，而這正是量子計算機所需要的。

另外超表面的纖薄外形、多功能的特性，也讓開發結合了量子態生成、轉換和檢測的更先進且緊湊的設備成為了可能。

最後，Maria Chekhova 對他們他們的研究路線感到激動不已：“我們的光資源正變得越來越小，同時它們的潛力也正變得愈加廣泛”。