超表面或成为下一代量子信息处理器

在迈向实用化量子计算机与量子网络的竞赛中，光子作为光的基本粒子，凭借其室温环境下高速传输信息的特性展现出巨大潜力。

传统方法依赖微芯片上的波导或由透镜、反射镜、分束器构成的庞大设备来调控光子量子态。这些光学元件通过复杂网络使光子发生纠缠，从而实现量子信息的并行编码与处理。但此类系统因所需元件数量庞大且存在制造缺陷，其规模化扩展一直被视为业界难题。

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超表面量子图的艺术图

能否用单个超薄亚波长结构平面阵列替代传统光学系统？哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院的研究团队给出了肯定答案。应用物理学教授Federico Capasso带领团队设计出具有纳米级光操控图案的超表面器件，为量子光学芯片与系统提供了革命性的轻薄替代方案。该成果发表于《科学》期刊。

研究证明，超表面可生成复杂的光子纠缠态执行量子操作，其功能与多组件大型光学设备相当。论文第一作者Kerolos M.A. Yousef表示："这项技术为解决可扩展性问题带来重大突破，现在我们将整套光学系统微型化为单个超稳定、高鲁棒性的超表面。"

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Federico Capasso 和 Kerolos M. A. Yousef 及其实验装置

超表面：强健的可扩展量子光子处理器

该研究揭示了范式转移的可能性：未来量子光学器件或不再依赖难以扩展的波导、分束器等传统元件，转而采用抗干扰、低成本、易加工、低光损的超表面技术。除推动室温量子计算机与网络发展外，这项超表面量子光学技术还可应用于量子传感领域，或为基础科学研究提供"芯片实验室"解决方案。

设计能精确调控亮度、相位、偏振等参数的超表面面临独特挑战——随着光子数（即量子比特数）增加，数学复杂度呈指数级增长。传统方案中，每增加一个光子就需要大量分束器与输出端口来应对新产生的干涉路径。

图论赋能超表面设计

研究团队创新性地运用图论这一数学分支，用点线连接关系直观呈现光子纠缠态与干涉效应。这种将超表面设计与量子光学态统一研究的思路属学界首创。该研究得到Marko Loncar实验室支持，其团队在量子光学与集成光子学领域的专长为实验提供了关键支撑。

研究员Neal Sinclair指出："这种方法有望高效扩展光量子计算机与网络，解决其相对于超导、原子平台的最大发展瓶颈，图论方法为超表面的理解、设计及应用开辟了新视角，使器件设计与量子光态调控形成辩证统一。"

相关链接：https://dx.doi.org/10.1126/science.adw8404