哈佛大学的工程师们已经制造出一种芯片厚度的超表面，它可以替代整个量子光学装置。

光子能量：可扩展量子器件的探索

随着研究人员致力于让量子计算机和网络变得更加实用，构成光的基本粒子——光子——正成为在室温下快速传输信息的理想之选。通常，将光子引导至正确的量子态需要在大规模微芯片上进行复杂的波导排列，或者使用透镜、镜子和分光镜构建的笨拙装置。这些元件可以使光子发生纠缠，这是量子过程的关键所在，能让光子并行地携带和处理信息。然而，由于此类复杂系统依赖于大量精密部件，因此构建和维护起来颇具挑战性，难以进行扩展。

如果所有这些组件都能被一个超薄表面所替代，而这个超薄表面能以完全相同的方式操控光线，同时使用的制造元件还更少，那又会怎样呢？

哈佛在平面量子光学领域的突破

哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的一支研究团队就做到了这一点。该团队由应用物理学教授、文顿·海斯电气工程资深研究员罗伯特·L·华莱士（Robert L. Wallace）以及费德里科·卡帕索（Federico Capasso）领导，开发出了专业的超表面。这些平面设备上刻有纳米级图案，可以控制光线，是传统量子光学硬件的紧凑型替代品。

该研究发表于《科学》杂志，并获得了美国空军科学研究办公室（AFOSR）的资金支持。

以简约的方式扩展量子系统

该团队证明，超表面可以产生纠缠光子态并执行复杂的量子操作，就像使用许多独立组件的大型光学系统一样。

“在解决可扩展性问题方面，我们正在引入一项主要的技术优势，”研究生兼第一作者 Kerolos M.A. Yousef 介绍道。“现在，我们可以将整个光学设置微型化为一个非常稳定且坚固的超表面。”

超表面为何具有颠覆性作用

他们的研究结果暗示了一种可能性，即基于防错超表面的光学量子器件可能会成为新的范式，这种器件不依赖于传统的、难以扩展的组件（如波导和分光镜），甚至也不依赖于扩展型光学微芯片，而是提供了诸多优势：设计无需复杂校准、对扰动具有鲁棒性、具有成本效益、制造工艺简单且光学损耗低。广义而言，这项工作体现了基于超表面的量子光学，它不仅为室温量子计算机和网络的发展开辟了道路，还可能惠及量子传感，或为基础科学提供“芯片实验室”功能

设计一个能够精确控制亮度、相位和偏振等特性的单一超表面，面临着独特的挑战，因为一旦光子数量（因此也是量子比特的数量）开始增加，就会产生数学上的复杂性。每一个额外的光子都会引入许多新的干涉路径，在传统的设置中，这需要数量迅速增长的波束分离器和输出端口。

图论：秘密武器

为了从复杂的表象中找到秩序，研究人员借助了数学的一个分支——图论，该理论用点和线来表示连接和关系。通过将纠缠的光子态表示成许多相连的线和点，他们能够直观地确定光子是如何相互干涉的，并预测它们在实验中的效果。图论也用于某些类型的量子计算和量子纠错，但在超表面的设计和操作等背景下通常不予考虑。

光与逻辑的统一设计

最终产生的论文是与Marko Lončar实验室合作的成果，该团队专注于量子光学和集成光子学领域，并提供了所需的专业知识和设备。

研究科学家尼尔·辛克莱表示：“我对这种方法感到兴奋，因为它可以有效地扩展光学量子计算机和网络——与其他平台（如超导体或原子）相比，这历来是光学量子计算机和网络面临的最大挑战。此外，该方法还为理解、设计和应用超表面提供了新的见解，尤其是在生成和控制量子光方面。在某种程度上，采用图谱法时，超表面设计和光学量子态就成为了一枚硬币的两面。”

参考文献：《广义Hong-Ou-Mandel干涉的超表面量子图》，作者：Kerolos M. A. Yousef、Marco D’Alessandro、Matthew Yeh、Neil Sinclair、Marko Loncar和Federico Capasso，发表于2025年7月24日，《科学》杂志。DOI：10.1126/science.adw8404

本研究获得了包括空军科学研究办公室（授予编号：FA9550-21-1-0312）在内的联邦资助。本研究在哈佛大学纳米尺度系统中心进行，该中心由国家科学基金会（授予编号：ECCS-2025158）提供支持。

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