近日，澳大利亞國立大學的一組國際科研團隊開發出一種“量子透鏡”，這種非常規鏡頭厚度約為人類頭發絲厚度的1/100，能夠有效傳輸和檢測光量子中編碼的信息。

這項研究創造性地將超材料和量子光學結合在一起。超材料是調控光束的有力工具，而光子是非常理想的量子信息傳輸媒介，二者的結合不僅拓寬了超材料的應用范圍，可能也會為光量子信息處理提供新思路新方案。

所謂的“量子透鏡”本質上是一種超表面，通過納米微結構實現的光學超材料可以表現出自然材料不具備的性質，在眾多領域有著廣泛應用，比如用超表面制作的超透鏡未來可能會取代智能手機的鏡頭組，讓手機做得更加輕薄；高透射率的超表面也可以串聯使用成為人工智能的定制計算元件，以光速實現特定的計算功能。

△超材料工作原理示意圖

研究人員成功地將納米超表面應用在量子光學信息領域，實現了對量子態多個投影的同時成像，穩健地重構出多光子偏振編碼態的振幅、相位、相干性和糾纏度等。決定量子態測量的準確性的一個主要因素是“投影角度”（投影基）的選取。一般而言，傳統的測量方法需要對量子態進行多次投影測量，一次測量只能知道量子態諸多方面中的一個，需要多次翻轉投影角度才能完全弄清楚，既耗費時間又無法保證精度。研究人員只使用一片極其輕薄的超表面，利用光子在光束橫截面內的相干性，使用探測器或者相機一次性地從最充分的幾個角度觀看量子態，從而保證了測量結果的準確性。

△利用超表面實驗實現雙光子干涉及光子態的重構

量子超表面使用了全介質材料，非常容易設計成高效透射的量子成像元件，超表面上可以制作成千上萬不同的納米微結構，每一個都可以在亞波長尺度對光進行調控，設計靈活度非常高。將“量子透鏡”與感光成像器件結合可以極大簡化相機結構。這樣的新穎元件在未來可能被設計用于將編碼在光子數、偏振、軌道角動量、空間等不同自由度的高維量子信息轉化為成像探測器件容易讀取的數據，從而快速穩定實現量子信息的讀取。