量子全息图：超表面在新研究中实现光与信息的纠缠

量子纠缠是自然界的基本现象，也是量子力学中最引人入胜的特性之一。它描述了两个粒子之间的关联性——无论相隔多远，测量其中一个粒子的属性会立即揭示另一个粒子的状态。这一独特性质已被应用于量子计算和量子通信等领域。

生成纠缠态的常见方法是通过非线性晶体。这类晶体通过自发参量下转换（SPDC）产生具有纠缠偏振态的光子对：若测得一个光子为水平偏振，另一个必然为垂直偏振，反之亦然。

与此同时，超表面（metasurfaces）——一种超薄光学器件——以其海量信息编码能力著称，可用于生成高分辨率全息图。通过将超表面与非线性晶体结合，研究者探索出了一种增强纠缠光子态生成与控制的前沿方法。

在《先进光子学》（Advanced Photonics）的最新研究中，来自中国香港和英国的研究团队提出了一种利用超表面生成量子全息图的新方法。通过精确设计超表面纳米结构的空间取向，他们成功生成了量子全息图，使偏振态与全息信息形成量子纠缠。

埃克塞特大学计算工程与超材料教授、论文通讯作者Jensen Li解释道："我们证实了超表面是生成量子全息图的多功能平台。通过将其中一个光子投影到不同偏振态（对应另一光子的干涉效应），进一步揭示了量子全息图的纠缠特性。"

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基于超表面的量子全息图

该方法提供了一种传统材料难以实现的紧凑且灵活的解决方案。实验中，研究者成功生成了与纠缠光子偏振态绑定的四个全息字母"H"、"V"、"D"和"A"。通过调节一个光子的偏振片取向，可选择性擦除全息图中的特定字母，实现了对纠缠全息信息的精准操控。

除理论突破外，该研究在量子通信等应用领域展现出潜力。论文合著Hong Liang表示："通过字母与偏振态的双重编码，更复杂的纠缠模式有望提升量子密钥分发的信息容量。超表面可大幅缩小量子光学系统体积，推动技术实用化。"

研究者还指出该技术可用于防伪领域。超表面本身的精密结构已难以复制，而字母与偏振态的量子关联特性以及全息图间的相对相位分布，更形成了独特的防伪特征。

论文另一合著者Wai Chun Wong补充："该实验也可视为全息层面的量子擦除实验。相比传统的双缝量子擦除装置，我们以两个全息图替代双缝，并通过纠缠光子偏振态获取'全息图路径信息'。擦除这一信息会直接影响全息字母的显现，这为量子基础研究提供了新视角。"

这项研究展现了现代纳米加工技术驾驭量子效应实现应用的可能。尽管厚度仅为纳米级，超表面却能完成传统复杂光学系统才能实现的量子操作。该成果不仅深化了人类对量子力学的理解，更为量子信息处理领域开辟了新路径。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.AP.7.2.026006