南京大学物理学院王牧和彭茹雯研究团队利用超构表面实现量子纠缠的产生与调控和多通道分发

南京大学物理学院王牧教授和彭茹雯教授研究团队在利用超构表面实现量子纠缠调控方面取得重要进展，利用多通道超构表面中双光子量子干涉效应，实现四种贝尔态的构建与全通道组合的纠缠分发。该研究表明，当非纠缠、偏振正交的双光子入射到多通道介质超构表面时，它们在超构表面上发生偏振转换和量子干涉；通过在任意两个输出通道进行后选择获得偏振纠缠态，实现所有通道组合的纠缠分发。实验中，该团队制备出具有七输出通道的超构表面，获得21个通道组合，成功产生并分发四种贝尔态。进一步地，改变输入的双光子态或者改变超构表面设计，产生的偏振纠缠态也随之变化，使得该体系在偏振纠缠的产生、调控和分发等方面具备高度灵活性和可拓展性。该工作利用单一超构表面实现了量子纠缠的产生、调控和多通道分发，展示了超构表面作为紧凑、可扩展量子纠缠源的显著潜力，为构建满足多用户需求的集成化、小型化的光量子网络提供新途径。

量子纠缠是量子通信与量子计算的核心资源，其中贝尔态的产生与调控是实现量子密钥分发、隐形传态、密集编码等关键技术的基础。随着量子网络向多用户、多节点、远距离方向发展，传统依赖多层级光学元件（如多波片、分束器、棱镜等）的方案在系统体积、重量、及损耗方面逐渐形成瓶颈。实现高度紧凑、可扩展的纠缠态产生与调控模块成为迈向可集成的量子网络的关键一步。

王牧教授和彭茹雯教授研究组长期致力于微纳结构的制备科学以及光与微纳结构的相互作用研究，特别关注超构材料和超构表面与光相互作用新原理及其应用，取得一系列创新性成果，包括：提出几何标度相位调制 [Physical Review X 10, 031035 (2020)]; 利用噪声工程突破超构表面偏振复用极限【Science 379, 294-299 (2023)】，等等。近年来他们尝试将相关研究从经典体系拓展至量子信息领域, 例如, 创新性地基于介质超构表面实现了量子纠缠态的多通道转化与分发【Physical Review Letters 129, 023601 (2022)】以及首次基于单一超构表面实验实现多种协议量子密钥分发【Nano Letters25, 7442-7449 (2025)】等。这些工作已初步展示超构表面在光量子信息领域的应用潜力。

在本研究中，该团队创新性地提出并实验验证了基于单一超构表面实现偏振纠缠的产生与调控以及多通道分发（原理示意见图1）。该超构表面由尺寸与旋转角度各异的硅纳米棒结构单元构成，每个结构单元能够对入射光子沿结构单元主轴方向的两种正交线偏振分量引入可独立设计的附加相位。通过亚波长尺度的相位调控，超构表面被设计成具有N个空间输出通道，每个通道对应一种等效波片，从而对入射的双光子偏振态进行量子态调控。当彼此偏振正交、其他自由度全同的双光子入射该超构表面时，其在各通道间会发生双光子干涉。由于每个光子都有N种可能的输出通道，因此任意选择两个通道进行符合测量，均可获得一种偏振纠缠态。该系统可在N(N-1)/2个通道组合中产生并分发偏振纠缠态，实现全通道组合的纠缠态分发。

图1. 通过多通道超构表面的双光子量子干涉效应，实现四种贝尔态的构建与全通道组合纠缠分发示意图。

实验上，该团队利用微纳加工制备出尺寸约为400 μm × 400 μm的硅纳米结构超构表面，可产生7个独立输出通道。单光子测量结果（图2）表明，每个通道均具备偏振转换能力。进一步地，将非纠缠且偏振正交的双光子对入射至该超构表面，7 个输出通道形成总共21种通道组合，分别对应4种贝尔态。对全部组合进行的量子态层析展示重构密度矩阵，表明具有高保真度，并且 CHSH 不等式违背和偏振干涉测量（详见图3中的左图）均验证了光子对在每一通道组合中具有明确的偏振纠缠特性。结果表明，单块百微米尺度的超构表面即可实现四种贝尔态的构建与全通道组合的纠缠分发，为量子网络的紧凑化与集成化提供了有效路径。

图2. 实验制备的硅超构表面SEM图以及单光子实验结果。

值得强调的是，该系统具备高度的可调控性。当入射双光子偏振态发生变化时，输出的偏振纠缠态随之调制（详见图3中的右图），但整体仍保持对4种贝尔态的全覆盖。此外，通过改变超构表面设计，可进一步调控输出通道的数量和偏振纠缠态的具体形式。例如可将输出通道拓展至13个，对应78种通道组合。这一基于超构表面的策略有望显著提升全连接量子网络的集成化和小型化，为构建面向多用户需求的集成化、小型化的光量子网络器件提供了重要的原型基础。

图3. HV光子对入射到超构表面，在21个通道组合中产生并分发四种贝尔态（左图）；AD光子对入射到超构表面，在21个通道组合中产生并分发四种贝尔态（右图）。

这一方案的优势在于仅需利用百微米级尺寸的单一超构表面即可替代传统方案需要由多种光学元件构成的复杂系统。同时，多通道、多贝尔态的产生和分发结果展现了高度灵活的量子网络构建能力。该研究结果展示了超构表面对量子纠缠的产生、调控和多通道分发能力，推动发展集成化、可扩展的量子光学平台，为构建满足多用户需求的集成化、小型化的光量子网络提供新的可能途径。

相关成果以 “Interference-Induced Entanglement Engineering on a Metasurface” 为题发表在国际著名物理刊物《物理评论快报》，详见 Physical Review Letters 136, 023601 (2026)。该论文还获选 Editors’ Suggestion，并被 Physics 亮点推介（Featured in Physics）。南京大学物理学院高雅君博士、博士生钟瑞和毛祥琳是该论文的共同第一作者，王牧教授和彭茹雯教授是该论文的通讯作者，中国科学技术大学李传锋教授给予了研究指导，南京大学物理学院张虎林硕士、江越博士、博士生包宸宇参与了部分工作。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等支持，依托南京大学物理学院、固体微结构物理全国重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等平台。

PRL 论文链接：https://doi.org/10.1103/mzmv-7×98

Physics 亮点推介文章链接：https://physics.aps.org/articles/v19/s11