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超构表面将有助于简化量子信息技术，同时也能实现复杂的应用

绿色激光照亮了比纸薄一百倍的超构表面。CRAIG FRITZ

产生量子纠缠的设备通常很笨重，而且一次只能产生一对纠缠的光子。现在，科学家们已经创造了一种大约只有三分之一硬币那么厚的设备，可以生成复杂的纠缠光子网 -- 不仅仅是一对，而是几对都连在一起。这项发明不仅可以大大简化量子技术所需的设置，而且还有助于支持更复杂的量子应用。

产生纠缠光子的一个常见方法是将一束光照在一个特殊的 " 非线性晶体 "上。这些晶体分别可以将一个光子分成两个能量较低、波长较长的纠缠光子。

>> " 机会是巨大的，而我们才刚刚触及表层 "，- Igal Brener，桑迪亚国家实验室

该研究的共同作者、德国埃朗根马克斯-普朗克光科学研究所的物理学家 Maria Chekhova说，产生纠缠光子的传统技术并不灵活 -- 它们只在通常非常狭窄的特定波长范围内产生光子对。这种狭窄的带宽会限制通信速率。

此外，Chekhova补充说，产生纠缠光子的标准方法最终决定了纠缠光子的许多属性，例如它们的波长和偏振。她解释说，如果人们想进一步操纵这些特性，就需要更多的设备。

此外，非线性晶体通常很笨重。对于需要许多纠缠光子的应用来说，这是很麻烦的一件事情。研究报告的共同作者、位于阿尔伯克基的桑迪亚国家实验室综合纳米技术中心的物理学家Igal Brener说：" 一个量子计算源将需要数十或数百个笨重的晶体。"

现在，科学家们发现产生纠缠光子只需要大约半毫米厚的器件就足够了，而不是像从前在实验室里装满晶体、透镜、镜子、过滤器和其他设备。这种器件就是超构表面，即覆盖有微观支柱群（microscopic pillars）的表面。

Brener说：" 我们只需要将一束或多束激光聚焦到一个平坦的样品上，剩下的就由超构表面来完成。"

每个超构表面由一个500微米厚的玻璃表面组成，上面覆盖着砷化镓结构，每个结构都类似于大约300纳米宽的立方体，上面有切口。每个超构表面的纳米结构的组成、结构和位置的定制方式，可以帮助科学家们控制照在器件上的光线的许多特征。

这个超构表面的艺术渲染图中，光线穿过微小的矩形结构 (超构表面的构件) 并在不同的波长下产生一对纠缠光子。

来源：桑迪亚国家实验室

将一束激光照射到这些元表面上可以导致纠缠光子的出现。Brener说：" 原则上，一个单一的元表面可以创造几种类型的纠缠光子对。如果使用多个光子对创造更复杂的量子状态，可以带来新的或更有效的方式来进行量子计算、传感、加密等等。"

此外，超构表面可以操纵纠缠光子的一系列特征，" 但我们还没有探索到这个程度 "，Brener说。" 机会是巨大的，而我们只是触及了表面。"

目前，这些超构表面的效率很低。" 我们的速率不到每秒一对，而标准晶体每秒可提供数十万对，"，Chekhova说。然而，她指出，这些器件的进一步修改可能会使效率至少提高一千倍。

该小组的研究详见2022年8月25日《科学》杂志的在线研究专栏。