突破性光子糾纏技術：量子電腦微型化的關鍵

量子計算領域長期以來面臨著高效產生糾纏光子的挑戰，然而，一組研究團隊利用超穎表面（metasurfaces）——一種能夠精確控制光線的平面工程結構——發現了一種革命性的方法。這項技術不僅能更輕鬆且緊湊地生成和操控糾纏光子，還可能為更小、更強大的量子電腦鋪平道路，甚至推動量子網路的發展，將糾纏光子傳遞給多個使用者。

量子資訊處理依賴於多個光子的糾纏來處理大量資料，但高效產生這些糾纏光子仍然是一個重大難題。傳統方法通常使用量子非線性光學過程，但這些方法難以擴充套件到大量光子；或者使用線性分束和量子干涉，但這些方法需要複雜且精密的裝置，容易受到損耗和串擾的影響。

由北京大學、南方科技大學和中國科學技術大學組成的研究團隊最近在這一領域取得了突破性進展。他們在《Advanced Photonics Nexus》期刊上發表的研究中，開發了一種利用超穎表面的新技術。超穎表面是一種超薄工程結構，能夠精確控制光線的相位、頻率和偏振。這種方法使得在單一超穎表面上產生多光子糾纏成為可能，使整個過程更加簡單和高效。

研究團隊的方法是將多個單光子從不同角度引導至特製的梯度超穎表面。超穎表面會操控這些光子，使其以量子方式干涉，從而產生糾纏的光子狀態。這項技術不僅能生成各種糾纏狀態，還能將多個糾纏光子對融合成更大、更複雜的群體。如此一來，更多的量子資訊可以被編碼在更小的空間中，這將有助於推動量子計算和通訊技術的發展。

該研究的通訊作者顧瑩教授將這種新方法比喻為在迷宮中找到了一條捷徑：「與其試圖在複雜的光學設定中曲折前進，我們可以使用單一超穎表面來完成任務。生成和操控糾纏光子的過程變得更加簡單和緊湊。這非常適合建造可以整合到晶片上的微型量子裝置，為未來的量子計算和通訊應用提供了絕佳的解決方案。」

隨著這種生成多光子糾纏的新方法問世，許多量子應用可能變得更加容易實現。例如，超穎表面可用於生成並將糾纏光子傳遞給多個使用者，從而促進量子網路的建立。此外，超穎表面還可作為處理更多光子的基礎元件，這可能推動量子電腦的發展，使其體積縮小至筆記型電腦的大小。這些可能性令人振奮，而這項研究讓我們離實現這些目標更近了一步。

參考文獻：Qi Liu, Xuan Liu, Yu Tian, Zhaohua Tian, Guixin Li, Xi-Feng Ren, Qihuang Gong and Ying Gu, Multiphoton path-polarization entanglement through a single gradient metasurface, Advanced Photonics Nexus, 13 February 2025. DOI: 10.1117/1.APN.4.2.026002