基于超表面的全光量子网络

量子信息科学利用量子效应提升信息处理能力和安全性，其中连续变量（CV）系统因可确定性实现而备受关注。实现大规模量子网络的关键在于产生大量紧凑的爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）纠缠态。传统方法依赖复杂且体积庞大的光学元件，难以扩展。本研究提出并实验验证了一种基于超构表面的新方法，利用一个5×5的超构透镜阵列，在一个85铷蒸气池中通过四波混频过程成功生成了25组CV EPR纠缠光束对，形成5×5的纠缠阵列。这种超构透镜由二氧化钛纳米柱构成，具有平面化、小型化的优势，克服了传统光学系统笨重的缺点。研究人员进一步利用这些纠缠资源构建了一个五用户全光量子态共享（AOQSS）网络。在该网络中，秘密量子态需要至少三个用户协作才能恢复，单个用户无法获取有效信息，从而保障了通信安全。实验测量了不同用户组合下的恢复保真度，平均保真度达到0.62±0.01，超过了经典极限的3/5（即0.6），证明了该量子协议的成功实现。这是目前连续变量体系下规模最大、用户最多的AOQSS网络。研究还分析了影响保真度的主要因素，包括基于四波混频的相位不敏感放大器引入的噪声以及偏振片消光比不足导致的泵浦光散射噪声。未来通过优化工艺参数（如采用更高精度的电子束光刻或深紫外光刻技术）、选择更优的光束夹角以提高压缩度，并使用性能更好的光学元件，有望显著提升网络性能。此外，该方法易于扩展到更大规模的阵列，为构建集成化、小型化的大型量子网络提供了极具前景的技术路线。这项工作不仅验证了超构表面在生成复杂量子纠缠态方面的有效性，也为未来实用化、大规模的全光量子通信网络奠定了重要基础。