光量子信息科学的研究热点之一是构建光量子信息网络，实现多用户的远距离量子通信。目前各类型光量子网络的庞大体积是其走向实用的一个瓶颈。通过光子纠缠态实现多方通信的关键环节是纠缠态的分发原理探索和器件研发，满足每两个用户能够共享纠缠态，以实现量子密钥分发、量子秘密共享、隐形传态等通信过程。但是，现有的光子纠缠态分发方案所包含的传统光学元件数量随着组网用户的增多而迅速增加，这严重制约了光量子网络的集成化与小型化。同时，目前已有的若干方案只能提供单一种类的纠缠态。单一种类的纠缠态不能满足多用户的多元化通信需求 (例如贝尔态适用于基于BBM92等协议的量子密钥分发，贝尔态的叠加态用于量子秘密共享等等)。最近，南京大学物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究团队基于他们早先提出的几何标度相位概念 [Physical Review X 10, 031035 (2020)], 构造出新型介质超构表面，实现了量子纠缠态的多通道转化与分发。该项研究为构建满足多用户多元化通信需求的集成化光量子网络奠定了基础。

该项研究的量子纠缠态分发方案是通过两块基于几何标度相位的介质型超构表面来实现的，其中一块超构表面具有M条输出通道，另一块超构表面具有N条输出通道（图1）。超构表面的元胞由不同几何尺寸的各向异性硅结构单元构成，其中每个结构单元对入射光子的两个正交方向的线偏振分量引入特定的几何标度相位。当自发参量下转换产生的偏振纠缠光子对中的每个光子分别入射到超构表面时，这两块超构表面能够在M´N个通道组合输出不同的偏振纠缠双光子态，即同时完成纠缠光子对的偏振转化和分发（图1）。这个过程只需要两块微米尺寸的超构表面即可替代以往方案中M´N条光路中众多的波片、分束器和棱镜等传统光学元器件，为光量子网络的小型化、集成化奠定了基础。

图1 基于几何标度相位的介质型超构表面实现量子纠缠态的多通道转化和分发的示意图。

该团队通过微加工制备出两块由硅纳米结构阵列构成的超构表面（尺寸400´400 μm2），每块有4条输出通道（图2(a)和2(b)）。对于入射的双光子态，16个组合输出通道的偏振纠缠态各不相同，其中4个是贝尔态，8个是2个贝尔态的叠加态，其余4个是4个贝尔态的叠加态。对16种偏振纠缠态进行量子态层析（图2(c)），重构出双光子态的密度矩阵（其中4种态的密度矩阵的实部和虚部如图2(d)-2(g)所示），展示高保真度（图3(a)）。

图2(a)-(b)分别显示两块硅结构阵列构成的超构表面的扫描电镜图片，图中标尺均是1 μm。左侧的示意图显示的是当水平线偏振的单光子入射超构表面时，输出端各通道的偏振态情况。(c)是实验测量光路的示意图，包括纠缠光子对产生，基于超构表面的纠缠态转化与分发，和量子态层析等部分。(d)-(g)为输出的4种双光子态的重构密度矩阵的实部和虚部。

进一步对16种态进行CHSH不等式（图3(b)）和偏振干涉曲线（图3(c)-3(f)）的测量，结果表明在输出端，分发到每一种通道组合中的光子对具有偏振纠缠特性，且各通道组合的偏振纠缠双光子态各不相同，实验结果与预期一致。

图3 (a)为16个通道组合中输出的偏振纠缠态的保真度测量结果。(b)显示16个通道组合中输出的偏振纠缠态的S值测量结果。(c)-(f)分别是其中4个组合输出通道的偏振干涉曲线。

该项研究的创新之处在于针对未来光量子网络的集成化，设计并制备出新型偏振纠缠态的转化和分发体系，首次通过微米尺寸的介质超构表面，同时实现了量子纠缠态的多通道转化与分发。值得一提的是，在该体系中，实现更多通道数量的纠缠态分发无需引入额外的光学元件。改变超构表面元胞中结构单元的数量、几何参数、排列方式即可便捷、灵活地调控输出端通道的数量和纠缠态的种类。这极大程度地减少了多用户组网所需波片和分束器等光学元件的数量，展现了超构表面对光子的偏振和传播路径的调控能力。

该研究工作提出一种全新的量子纠缠态的转化和分发方案，基于几何标度相位的原理，利用微米尺寸的介质超构表面同时实现了量子纠缠态的转化与分发这两个物理过程。该方案能大幅减少量子光学平台中所需的传统光学元件的数量，构建出满足多用户通信需求的集成化、小型化的光量子网络器件原型，推动集成化光量子信息科学的发展。

该项研究工作以“Multichannel Distribution and Transformation of Entangled Photons with Dielectric Metasurfaces”为题近日发表于[Physical Review Letters 129, 023601 (2022)]，相关链接是https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.023601。南京大学博士后高雅君、博士生王铮和江越是该论文的第一作者。博士生王梓瑜和唐文杰、祁冬祥副研究员、范仁浩副教授也参与了该工作。王牧教授和彭茹雯教授是该论文的通讯作者。该研究获得国家重点研发计划和国家自然科学基金委的资助，同时得到南京大学物理学院、固体微结构物理国家重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等的支持。