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论文基本信息：
– 标题： High-Dimensional Remote State Preparation with Metasurface-Based Hyper-Entangled Photon Source
作者：
Minghao Ning（华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室）；
Nachuan Li（华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室）；
Haozong Zhong（华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室）；
Quan Yuan（南京大学物理学院）；
Ling-en Zhang（华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室）；
王漱明（南京大学物理学院）；
Mu-Ku Chen（香港城市大学电机工程系）；
Xiaodong Qiu（香港城市大学电机工程系）；
Xifeng Ren（中国科学技术大学量子信息重点实验室）；
Xiaomin Hu（中国科学技术大学量子信息重点实验室）；
Biheng Liu（中国科学技术大学量子信息重点实验室）；
通讯作者 刘金明（华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室）；
Ya Cheng（华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室）；
通讯作者 李林（华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室）；
通讯作者 蔡定平（香港城市大学电机工程系）
发表时间： 2025年5月30日（其中2024年11月18日投稿，2025年3月27日返修）
发表期刊： Laser & Photonics Reviews (JCR-Q1,IF=9.8 )
论文重要图文：
摘要：具备多自由度的高维量子网络可提升信道容量与噪声抑制能力，这对量子通信具有重要意义。然而，采用传统光学系统实现高维超纠缠量子网络存在巨大挑战。本研究展示了利用超表面产生紧凑型高维超纠缠光子源，并基于该纠缠光源提出可扩展的3至8维单光子态远程制备协议，该协议已获理论与实验双重验证。远程制备态的平均保真度均超过0.9。这种基于超表面的量子通信方案为大规模量子网络与分布式量子计算系统的发展提供了新路径。
结论：需指出的是，现有高维量子隐形传态协议虽同样旨在远端重建量子态，但其实验装置较本方案更为复杂。此外，考虑到高维光子系统操控与测量的固有难度，本工作仅利用了超表面光子源16个路径纠缠通道中的4个。传统高维量子态制备、操作与重建通常需要复杂的光学元件组合（包括玻璃窗、波片、光束分离器及偏振分束器）来实现相位、偏振、振幅和光束分离/合成等操作。这种复杂性严重制约了维度扩展。然而，超表面领域的最新进展使得这些功能可通过紧凑器件稳定集成实现，例如：可同时调控相位与偏振的液晶超表面、级联超表面及其他类似功能器件。这些创新显著提升了系统紧凑性、稳定性与可扩展性，为先进高维量子通信协议铺平道路。超表面多自由度调制能力的深度开发，将进一步推动量子通信网络的发展。
总结而言，我们通过融合超表面路径纠缠态与偏振纠缠态制备技术，成功产生了紧凑型路径-偏振高维超纠缠光子源。基于该纠缠源，我们实验实现了高保真度3维、4维、6维及8维单光子态的远程制备。高保真度表明量子信息在传输过程中保持了高精度与完整性，且在复杂环境中具备更强鲁棒性。该策略为实施大规模量子通信方案提供了可扩展平台，并大幅降低了对传统笨重光学元件的依赖。本工作为探索和实现基于高维超纠缠光子源的先进协议开辟了新途径，为量子网络与光子信息处理的发展提供了重要技术支撑。
图1. a)超纠缠光子源生成示意图及b)通过超构透镜的偏振纠缠态生成单元示意图。
图2. 超表面生成量子态的测量密度矩阵：a)偏振纠缠光子源；b)路径-偏振超纠缠光子源。此处态|H⟩ᵤ、|V⟩ᵤ、|H⟩ₗ和|V⟩ₗ分别编码为|0⟩、|1⟩、|2⟩和|3⟩。
图3. 4维单光子态远程制备装置：a)路径-偏振超纠缠光子源生成模块；b)远程态制备(RSP)与量子态层析(QST)测量模块；c)四光子分束结构。注：Meta-BBO指超表面与三明治状BBO晶体复合结构；PBS为偏振分束器；HWP为半波片；QWP为四分之一波片。
图4. 双光子干涉测量结果：a)|φ₁₁⟩态；b)|φ₁₅⟩态（符合计数测量时长15秒）。远程制备4维单光子态密度矩阵：c)计算基态|φ₁⟩；d,e)叠加态|φ₁₅⟩与|φ₁₆⟩；f)基态线性相关叠加态|φ₁₇⟩。
图5. 4维单光子态远程制备保真度：编号1-17分别对应态|φ₁⟩至|φ₁₇⟩。17种态平均保真度F=0.950±0.0197。
论文快览：
解决的问题：
量子通信网络需高维超纠缠态以提升信道容量与抗噪能力，但传统光学系统依赖复杂级联元件（如波片、位移器）实现高维纠缠，导致系统庞大且稳定性差。现有方案虽利用多自由度纠缠，却难以在紧凑架构下同步调控路径与偏振自由度，尤其缺乏可扩展的高维（如>8维）任意参数态制备能力，制约了分布式量子计算与安全通信的实用化进程。
提出的方法：
本研究提出基于超表面的路径-偏振超纠缠光子源，通过金属透镜阵列与三明治非线性晶体协同设计实现高维态制备。金属透镜阵列由氮化硅纳米柱构成，通过调控纳米柱半径分布将泵浦激光聚焦为4×4点阵；三明治结构由两片BBO晶体夹半波板组成，利用自发参量下转换生成偏振纠缠光子对。路径纠缠通过金属透镜空间排布编码，偏振纠缠通过晶体-波板干涉调控，最终生成路径-偏振复合超纠缠态（如16⊗2维）。
实现的效果：
实验测得2⊗2超纠缠态保真度0.943，3⊗2与4⊗2态保真度分别达0.933与0.911。基于此光源，远程制备3-8维单光子态，其中17个4维态平均保真度0.950±0.0197（最高0.977），线性熵0.048±0.0221；6维与8维态保真度均>0.9。两光子干涉可见度>96.7%，验证了高精度量子操控能力。
创新点分析：
本研究的核心突破在于首次将超表面波前调控与非线性晶体纠缠生成深度融合，通过单片集成架构实现路径-偏振双自由度高维超纠缠。金属透镜阵列的亚波长聚焦特性解决了传统位移器的空间占用与校准难题，将路径纠缠维数扩展至16；三明治晶体设计通过波板补偿 walk-off 效应，将偏振纠缠保真度提升至近理想水平（0.989）。这种“物理编码-量子操控”协同范式，为高维量子通信提供了可扩展平台，标志着量子光源从分立光学系统向集成化元器件的范式跨越。
- M. Ning, N. Li, H. Zhong, Q. Yuan, L. Zhang, S. Wang, M.-K. Chen, X. Qiu, X. Ren, X. Hu, B. Liu, J.-M. Liu, Y. Cheng, L. Li, D. P. Tsai, High-Dimensional Remote State Preparation with Metasurface-Based Hyper-Entangled Photon Source. Laser Photonics Rev 2025, e01968. https://doi.org/10.1002/lpor.202401968
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