论文基本信息

标题：

Bridging meta-optics to quantum-optics: manipulating nonclassical light with structured materials [Invited]

作者：

Hooman Barati Sedeh，杜克大学电子与计算机工程系Natalia M. Litchinitser，杜克大学电子与计算机工程系通讯作者： Natalia M. Litchinitser

发表时间：

2026-02-19（在线发表）

发表期刊： Photonics Research，中科院一区，JCR Q1，影响因子 7.1

图表数量：10

参考文献数量：309

二

论文重要图文

这篇邀约综述讨论 meta-optics 与 quantum-optics 的交汇：结构化材料不仅可以调控经典光的波前，也可以在单光子、纠缠光子对和多自由度量子态层面重塑非经典光。文章先介绍超表面中传播相位、Pancharatnam-Berry 几何相位、局域/非局域共振和非线性增强机制，再衔接到单光子表征、SPDC 光子对产生、方向性与可调谐发射、偏振工程、spin-OAM 纠缠、量子全息和量子成像等主题。综述的核心观点是：超表面可以作为“外禀”的量子光场调控层，在不改变量子发射体或探测器本身的情况下，对光子的空间、时间、频率、偏振和轨道角动量自由度进行片上级、超薄化操控。

未来量子 meta-optics 的关键挑战包括提高非线性转换效率、降低损耗、实现可扩展制备、增强与量子发射体和光子芯片的兼容性，并发展可重构、可编程和多模量子态调控平台。文章认为，非局域共振、准 BIC、薄膜非线性材料和片上集成将是推动量子光源、量子成像、量子通信和高维量子信息处理的重要路径。

重要图片：

图1

连接 meta-optics 与量子光学的示意图。超表面作为由空间变化纳米结构（meta-atom）组成的平面阵列，可通过亚波长尺度的光学相位突变实现多功能波前控制。这种相位控制来自两种机制：源于 meta-atom 内光程长度的传播相位，以及通过偏振旋转累积的 Pancharatnam-Berry 几何相位。在线性光学之外，超表面还可以通过调控局域共振（限制在单个 meta-atom 内）和非局域共振（来自集体晶格模式或衍射耦合）来增强并工程化非线性相互作用。这些共振增强局域场强，从而在不受相位匹配条件限制的情况下，实现非线性谐波的高效产生与操控。凭借紧凑尺寸、共振增强和波前工程能力，超表面能够精确控制单光子和纠缠光子对的空间、时间与自旋自由度，进而合成复杂量子态，例如混合自旋-轨道纠缠模式和高维轨道角动量态。重要的是，这些功能不依赖于改变底层量子发射体或探测器，而是利用由 meta-atom 工程化的光子环境。这种外禀方法保证了其与固态发射体、非线性晶体等多种量子平台的广泛兼容性，并允许与光子芯片无缝集成。

图2

相量图中不同状态的表示。（a）相干态、（b）压缩真空态、（c）相位压缩光和（d）振幅压缩光的正交压缩态。每个图中的虚线圆表示相干态的正交不确定性。

图3

非线性光-物质相互作用的应用。左侧面板显示基本非线性光学过程的光子图，包括二次谐波产生、和频产生、差频产生、三次谐波产生和四波混频。不同频率的输入光子（例如二次谐波产生和三次谐波产生中的 ω，以及差频产生、和频产生和四波混频中的 ω1 与 ω2）可转换为不同频率的光子（例如二次谐波产生中的 2ω、三次谐波产生中的 3ω、差频产生中的 ω3 = ω1 - ω2，以及四波混频中的 ωs 和 ωi）。右侧面板显示典型非线性光学应用示例。

图4

单光子表征原理。（a）HBT 装置示意图：（a-1）经典光入射到分束器后，由于多光子到达，探测器 D1 和 D2 会产生符合探测；（a-2）真正的单光子源表现出反聚束，每次发射事件最多只有一个探测器记录点击。（b）零延迟二阶关联 g^(2)(0) 区分不同光子统计：泊松统计（g^(2)(0) = 1，相干激光，粉色）、超泊松统计（g^(2)(0) > 1，热光/混沌光，深蓝色）和亚泊松统计（g^(2)(0) < 1，反聚束单光子态，紫色）。（c）Okoth 等展示的薄膜 SPDC：（c-1）6 μm LiNbO3 薄膜中相位匹配放宽的示意图，其中短相互作用长度可容忍较大的纵向失配，泵浦光束宽度控制横向关联；（c-2）结合 405 nm 连续波激光、薄膜非线性样品和基于光纤 HBT 干涉仪的实验装置；（c-3）测得的符合直方图在零延迟处出现尖峰，证明强双光子关联；（c-4）g^(2)(0) 的泵浦功率依赖关系，确认所产生光子对的量子起源。

图5

非线性量子 metaphotonics 中的光子对产生。（a-1）Marino 等用于演示单个纳米结构 SPDC 的孤立 AlGaAs meta-atom 示意图。该设计由位于氧化 AlAs 下层上的 400 nm 厚 Al0.18Ga0.82As 纳米圆柱组成，通过全内反射提供强垂直约束。（a-2）通过电子束曝光和 ICP-RIE 刻蚀制备结构的 SEM 图像。该结构支持电偶极和磁偶极 Mie 共振，以增强局域场。（a-3）连续波泵浦下测得的二阶关联函数，显示双光子产生率最高可达 35 Hz。（b-1）Santiago-Cruz 等设计的 GaAs 超表面示意图，用于支持准 BIC 共振模式以增强 SPDC。（b-2）由非对称穿孔方形纳米谐振器组成的超表面 SEM 图像。（b-3）电准 BIC 和磁准 BIC 共振的模拟与实测 Q 因子，分别达到约 330 和约 1000。（b-4）QOM-A、（b-5）QOM-B 和（b-6）QOM-C 三种超表面设计分别支持不同准 BIC 共振，可实现简并、非简并和复用光子对产生。（b-7）量子超表面用于多模纠缠态的潜在应用示意图。（c-1）Zhang 等发展的 LiNbO3 超表面示意图，该超表面利用非局域导模共振产生空间纠缠光子对。（c-2）由 304 nm 厚 x-cut LiNbO3 薄膜与周期性 SiO2 光栅集成而成器件的 SEM 图像。（c-3）在接近 785 nm 的连续波泵浦下，使用 Hanbury-Brown-Twiss 装置进行符合测量，探测约 1570 nm 的光子对。（c-4）超表面与未图案化 LiNbO3 薄膜的光子对产生率对比。增强来自扩展导模的激发，其 Q 因子约为 455，面内传播长度约为 71 μm，可提供强场约束、高模场重叠和制备友好的可扩展性。

图6

超表面中纠缠光子对的方向性和可调谐发射。（a-1）Son 等发展的 GaP 超表面示意图，通过准 BIC 共振实现双向自发参量下转换。（a-2）由刻蚀在 180 nm GaP 薄膜中的倾斜椭圆纳米谐振器构成的结构 SEM 图像。（a-3）线性透射谱显示 1184 nm 处 Q 约为 100 的尖锐准 BIC 共振。（a-4）使用 594 nm 连续波泵浦的实验 SPDC 装置，在前向和后向收集下转换光子。（a-5）前向-后向探测几何下的符合直方图，确认具有强方向不对称性的光子对产生：后向-前向占 56%，后向-后向占 35%，前向-前向占 9%，该不对称性源于共振增强的方向性发射。（b-1）Weissflog 等提出的可调 LiNbO3 超表面示意图，支持具有角度色散的非局域导模共振。（b-2）由 SiO2 光栅位于 308 nm LiNbO3 波导之上构成的器件 SEM 图像。（b-3）使用可调连续波泵浦并在同向传播和反向传播构型下收集光子对的 SPDC 装置。（b-4）符合测量显示同向传播和反向传播的计数率分别为 1.28 Hz 和 2.92 Hz，符合-偶然比为 7500。（b-5）利用后焦面中的光束阻挡器进行发射角映射，确认发射方向可由泵浦波长调谐；实验角度最小值与导模共振色散预测紧密吻合。（c-1）Nikolaeva 等发展的单个 AlGaAs 纳米圆柱 SPDC 多极理论显示，电偶极矩和磁偶极矩之间类似 Kerker 效应的非线性干涉可以塑造双光子的远场分布；通过调节泵浦波长和谐振器纵横比，可调节偶极贡献的相对相位和振幅，从而偏向前向或后向发射。（c-2）Zhang 等设计的铌酸锂超表面利用导模共振调控 SPDC 光子对的发射角；全波模拟显示，沿导模共振色散扫描泵浦波长可连续调谐发射方向，角度约束与产生效率之间的权衡由泵浦光束腰决定。（c-3）Jiang 等提出的平带超表面设计为在信号光和闲频光波长处支持近乎无色散的光子能带，该构型可实现宽角度发射且光谱展宽很小，与传统共振超表面相比，可用收集数值孔径提高超过一个数量级。不同于以往角度转向策略，该设计有利于角度无关的光子对产生，对宽带多通道收集具有潜在优势。

图7

量子超表面中光子对的偏振工程。（a-1）Ma 等发展的 LiNbO3 超表面示意图，由多个共振 meta-grating 组成，用于产生具有可控偏振态的光子对。（a-2）在 x-cut LiNbO3 薄膜上制备的复用超表面 SEM 图像。（a-3）光子对偏振态层析的实验装置。在两种四分之一波片设置（a-4）θq = 0° 和（a-5）θq = 45° 下，符合计数随半波片角度变化，确认来自不同 meta-grating 的正交偏振光子对。（a-6）和（a-7）圆偏振投影下测得的符合独立性，使得可通过泵浦控制重构 Bell 态和 qutrit。（b-1）Noh 等用于频率非简并 SPDC 和偏振分辨层析的 GaAs 量子光学超表面布局。（b-2）透射谱显示高 Q 电偶极和磁偶极准 BIC 共振。（b-3）SPDC 和偏振表征实验装置。（b-4）磁偶极准 BIC（QOM-A）和（b-5）电偶极准 BIC（QOM-B）模式产生的光谱分辨信号光-闲频光对。（b-6）重建的单光子偏振密度矩阵显示，由于共振模式选择性，不同准 BIC 模式对应不同偏振纯度，其中信号光子更纯。（c-1）Jia 等用于产生偏振纠缠光子对的混合等离激元-ENZ 超表面示意图。（c-2）位于具有 ENZ 特性 ITO 层上的 SRR 阵列 SEM 图像。（c-3）测得的偏振相关透射谱在泵浦和 SPDC 波长附近均出现共振谷。（c-4）利用波片和偏振分束器进行偏振纠缠光子对层析的实验装置。（c-5）实验重建密度矩阵（上排）及其模拟结果（下排），对应产生的 Bell 态 |ψ⟩ = 1/√2(|HV⟩s,i + |VH⟩s,i)，保真度为 91%。

图8

超表面在光子对产生之外的量子态工程。（a）Stav 等提出的几何相位超表面实现 spin-OAM 纠缠，通过方位角变化的 meta-atom 演示单光子自旋与轨道角动量之间的纠缠。线偏振输入光子被转换为 spin-OAM 纠缠态，并通过完整量子态层析确认保真度超过 0.92。（b）Li 等演示跨多个自由度的高维纠缠。作者设计介质 FPG 超表面，同时控制纠缠光子对中一个光子的自旋角动量、轨道角动量和空间路径，将其转换为四量子比特混合纠缠态。（c）Georgi 等提出的利用超表面实现多光子纠缠和量子干涉的示意图。作者使用介质超表面通过引入自旋依赖相位梯度产生并操控双光子 NOON 态；86% 的 Hong-Ou-Mandel 干涉谷确认了量子聚束。

图9

超表面量子全息。（a）Liang 等提出的利用偏振-空间纠缠生成量子全息图。作者通过将一个光子的偏振与其伙伴光子的全息波前纠缠，演示了基于超表面的量子全息方案。信号臂中的 PB 超表面将左旋和右旋圆偏振态映射到不同但相位相关的全息图，使所得混合纠缠态能够远程、偏振可控地操控全息图内容。当闲频（预示）光子不进行偏振选择时，信号光显示包含所有编码元素的混合图像；在闲频臂插入偏振片后，可相干选择叠加态，使全息图中发生相长或相消干涉，从而选择性擦除空间特征，例如去除特定字母。（b）Yang 等展示的单光子偏振复用全息。作者实现了偏振选择性超表面全息图，可以以亚波长精度塑造单个预示光子。超表面上的每个像素提供完整 Jones 矩阵控制，使不同偏振态将光子路由到不同全息通道。通过 SPDC 产生的光子对被分离，其中一个光子用于预示，另一个通过超表面；基于符合的光栅扫描显示偏振分辨图像，验证单光子在与超表面相互作用后仍保持相干。（c）Fan 等提出的预示偏振切换双通道量子 meta-holography。该工作通过制备 TiO2 超表面，使其根据预示光子的偏振投射不同全息图，将量子全息概念拓展到实际显示应用。偏振纠缠光子对由 type-II SPDC 产生，信号光子通过超表面，将水平和垂直偏振映射到不同图像；闲频臂中的偏振片选择投影基，实现两个全息显示之间的远程实时切换。该超表面在经典照明下效率超过 89%，预示关联成像提高了对比度并抑制噪声，即使在不利条件下也有效。该工作凸显了超表面赋能的双通道控制，可用于紧凑的纠缠驱动显示与通信模块。

图10

超表面赋能的量子成像。（a）Ma 等演示的基于非线性超表面的波长控制扫描红外鬼成像。作者利用由亚波长二氧化硅 meta-grating 组成的铌酸锂绝缘体上超表面，展示了一种紧凑量子鬼成像平台。该非线性超表面可以对下转换光子对的发射角进行波长可调控制；通过调节泵浦波长，闲频光子扫描物体的不同空间区域，而信号光子由桶探测器探测。记录光子符合事件即可重建高保真二维图像，并与经典成像高度一致。（b）Zhou 等提出的基于偏振可切换超表面的量子边缘检测。纠缠光子在 Sagnac 环 SPDC 装置中产生，其中一个光子进入偏振选择预示臂，另一个伙伴光子通过位于 4f 系统傅里叶平面的超表面。该超表面对 LCP 和 RCP 分量赋予相反几何相位梯度，产生空间分离并实现边缘增强成像。选择预示光子的偏振可远程切换信号光子在完整物体和仅边缘重建之间的成像模式，从而实现非局域量子开关。该平台允许纠缠辅助的成像模式控制，这是传统偏振不敏感振幅掩模无法实现的。

参考文献

Hooman Barati Sedeh, Natalia M. Litchinitser, "Bridging meta-optics to quantum-optics: manipulating nonclassical light with structured materials [Invited]." Photonics Research 14(3), 564-604 (2026).

https://doi.org/10.1364/PRJ.57968