更精确操纵光束：新型超表面设计推动光学物理学发展

在充满活力的光学物理领域，研究人员正在不断突破如何操纵和利用光进行实际应用的界限。

据《Advanced Photonics Nexus》报道，哈尔滨工业大学（HIT）的一项研究介绍了一种分类和区分各种类型矢量结构光束（VSB）的方法，有望在光通信和量子计算领域取得重大进展。论文题为 “利用自旋多路衍射超表面同时分拣任意矢量结构光束”。

图片:sorting-complex-light.jpg

多层自旋多路复用超表面在多路复用衍射神经网络（MDNN）中充当神经元，用于检测和分类矢量结构光束。

与以简单直线轨迹传播的传统光束不同，矢量结构光束可形成复杂、错综复杂的图案。这些光束不仅通过强度和波长等传统方式传输信息，还通过复杂的空间和偏振配置传输信息。它们的多功能性使其成为数据编码和通信的理想选择。

高效管理和利用 VSB 一直是一项重大挑战。它们固有的复杂性要求在实际应用中采用精确的分类和识别方法。提高光通信的效率、带宽和安全性，促进量子计算的创新，都取决于我们能否有效地处理这些错综复杂的光束。

哈工大研究团队研究的核心是一种基于自旋多路衍射超表面的紧凑、高效设备。这种经过精心设计的表面在微观层面上运行，可以非常精确地操纵光束。

该装置引导光束穿过一系列经过精细调整的超表面层。每一层都以精确的方式与光线相互作用，将光线逐步塑造成预定的图案。当光线从设备中射出时，每种 VSB 类型都被明显地分离出来，并可根据其独特的特征进行识别。这种同步分类能力为高维通信和量子信息处理带来了新的可能性。

技术影响包括：

□ 光通信： 以更高的速度传输更多数据并提高安全性仍然是一个关键目标。超表面处理复杂光束的能力表明，数据传输模式有可能发生转变，从而提高现有物理基础设施的效率。

□ 量子计算： 量子信息处理从根本上有别于经典计算。对光束的精确控制为加速量子计算系统提供了新的途径。

挑战与展望

虽然这项研究取得了巨大进步，但将该设备集成到现有技术框架中并优化其实际应用仍具有挑战性。不过，研究人员对其未来的影响持乐观态度，并在积极完善这项技术。

该研究的资深通讯作者丁卫强教授说：“我们在光操纵技术方面取得的突破，标志着我们向复杂光束的实际应用迈出了关键一步。通过促进对这些光束的精确控制，该技术不仅增强了现有能力，还为科学探索开辟了新途径。”

从实验室创新到广泛实际应用的过程是错综复杂的，但随着这些开创性的进步，通向日常集成的道路变得越来越清晰可见。

相关链接：https://phys.org/news/2024-06-complex-metasurface-advances-optical-physics.html

论文链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.APN.3.3.036010