高维量子纠缠系统因其更大的希尔伯特空间，在提升通信容量、抗干扰能力及实现复杂量子任务方面展现出显著优势。然而，受限于传统光学元件，高效稳定地制备高维纠缠态仍具挑战。近年来，超表面（Metasurface）技术为光子多个自由度的精细调控提供了全新手段，使高维量子态的产生与探测更为紧凑、灵活。尽管已有研究探索其在量子成像、计算等方面的应用，但在高维量子通信中的潜力尚未充分挖掘。

近日，华东师范大学李林、刘金明、程亚课题组与香港城市大学蔡定平团队合作，构建了基于超表面的路径-偏振高维超纠缠光源，并实验实现三至八维的单光子远程态制备。该方法具备高保真、结构紧凑、易拓展等优势，为构建高维量子通信网络提供了新平台。相关成果“High-Dimensional Remote State Preparation with Metasurface-Based Hyper-Entangled Photon Source”发表于《Laser Photonics Reviews》，宁明昊与李纳川为共同第一作者。

 

研究背景

远程态制备（Remote State Preparation, RSP）是一种基于纠缠共享、无需贝尔态测量、经典通信开销低的量子协议，适合高维系统。然而，传统方法在高维实现中常面临系统复杂度高、保真度下降等问题。为此，本研究提出结合超表面与非线性晶体的新型光源结构，以解决高维量子通信中纠缠源扩展性与稳定性不足的瓶颈，为实现高维量子通信协议提供了解决方案。

研究亮点

为实现紧凑、稳定且高维度可扩展的量子态制备平台，研究团队设计了一种结合金属透镜阵列与三明治型非线性晶体结构的高维路径-偏振超纠缠光源，如图1所示。泵浦光经超构透镜阵列均匀聚焦至晶体，实现路径编码；在两片晶体间插入零阶半波片以引入偏振纠缠；同时，输出臂中的铌酸锂晶体用于补偿空间走离，增强光子的相干性。

 

图1（a）超纠缠光源的产生过程示意图（b）每一束泵浦光经过超构透镜聚焦到BBO晶体上发生的自发参量下转换过程示意图

 

通过这种组合结构，实验成功制备了从二维偏振纠缠到八维的路径-偏振联合的超纠缠态。利用部分透镜子阵列（如2×1或2×2等等），该结构支持二维至八维超纠缠态的生成。通过调整透镜阵列配置，分别实现2⨂2、3⨂2、4⨂2维度的纠缠光源。量子态层析结果显示其保真度分别达0.943、0.933、0.911，证明其良好的扩展性与稳定性。该设计在理论上可扩展至32维希尔伯特空间。

为了展示在利用该超构表面超纠缠光源在通信协议实现中的可行性，研究人员进一步设计实验方案并成功实现了三、四、六、八维的单光子远程态制备实验，其四维远程态制备实验的光路如图2所示。通过构建偏振-路径结合的四维的纠缠光源：|Φ⟩AB=½(|uu⟩+|ll⟩)⨂(|HH⟩+|VV⟩），Alice通过调节HWP、窗口片等光学元件，进行四维单光子态的制备，Bob则相应的进行四维态的测量光路设置，其过程如图2（b）所示。

 

图2 制备任意四维光子态的实验光路图
(a)高维纠缠光源的产生 (b)四维光子态的制备与测试过程
 (c)由超构透镜组产生的光子对经过分束器后进行空间模式的分离（0-3分别代表不同的路径）

 

为了评估远程制备的四维单光子态的质量，在实验中选择了四维系统的十七个态（包括十六个基底态和一个线性相关态）进行远程制备，如图3所示，实验中十七种单光子态的平均保真度：F=0.950±0.0197，其结果证明了利用超纠缠光源成功实现了四维单光子远程态制备协议。

 

图3 四维单光子远程态的实验保真度。数字1到17分别对应|φ1⟩到|φ17⟩

 

此外，团队还进一步将协议进行拓展至更高维度，并设计方案同时实验演示了典型6维和8维单光子态的远程制备，其实验方案如图4所示，所有制备的光子态的保真度均超过0.9，进一步验证了该策略在更高维度下的可行性。

 

图4 八维远程态实验方案

 

总结与展望

本研究提出一种基于超表面与非线性晶体结合的高维超纠缠光源，首次实现多维度单光子远程态制备，实验保真度均超过0.9。相比高维量子隐形传态等协议，RSP结构更简洁，系统更紧凑，易于扩展。相较于高维量子隐形传态等复杂协议，本文所提出的远程态制备策略具有结构更紧凑、实验更简洁的优势。同时，当前工作仅使用了金属透镜阵列中部分通道，意味着在不增加系统体积的前提下，仍有大量维度空间可供拓展。未来，随着探测效率提升、稳定性优化以及多自由度集成调控技术的不断成熟，该方案有望实现更高维度、更复杂态的远程制备与操作。

更为重要的是，本研究充分释放了超表面在高维量子信息协议的应用潜力，为推动量子通信网络的集成化、规模化发展提供了全新范式。

本文作者

宁明昊 华东师范大学（精密光谱科学与技术国家重点实验室）