南京大學物理學院彭茹雯教授和王牧教授研究組在基于超構表面的量子通信研究中取得重要進展，首次基于單一超構表面實現多種協議量子密鑰分發。該研究組通過構造多通道硅超構表面，利用偏振糾纏光子對與其相互作用，同時產生和分發多個自旋-軌道角動量(SAM-OAM)雜化態。實驗上，他們將這些雜化態用于執行基于BB84協議和BBM92協議的量子密鑰分發(QKD)，展示了高密鑰率和低量子比特誤碼率。利用這個方案還可以設計出具有更多輸出通道的超構表面，產生更多量子態，構建支持更多用戶的量子密鑰分發網絡。該項研究為構建單點至多點的量子網絡提供了小型化、集成化的新途徑,彰顯超構表面在安全信息通信中的獨特能力。
 

　　量子密鑰分發對于安全信息傳送至關重要，其可以通過光子的偏振、軌道角動量或者自旋角動量與軌道角動量的組合等來實現。近年來人們利用傳統的光學元件已經實現了量子態的轉化和分發，建立了用于多用戶通信的單點至多點的量子密鑰分發網絡。然而，隨著量子網絡向多用戶、多協議的方向發展，傳統光學元件的大量使用導致顯著的電磁損耗，并且光學系統更加龐大笨重，從而嚴重影響發展空間受限(如衛星通信)或大規模部署(如城市量子網絡)的系統。
 

　　彭茹雯教授和王牧教授研究組長期致力于微納結構的制備科學以及光與微納結構的相互作用研究，特別關注超構材料和超構表面與光相互作用新原理及其應用，取得一系列創新性成果，包括：利用噪聲工程突破超構表面偏振復用極限【Science379,294-299(2023)】，等等。近年來他們嘗試將相關研究從經典體系拓展至量子信息領域,例如,創新性地基于介質超構表面實現了量子糾纏態的多通道轉化與分發【PhysicalReviewLetters129,023601(2022)】等。這些工作已初步展示超構表面在光量子信息領域的應用潛力。
 

　　最近，該研究組考慮到超構表面可以調控振幅、偏振、軌道角動量等多個自由度從而可以極大減少傳統光學系統的體積、重量乃至能耗，首次提出并實驗實現基于單一超構表面的多種協議量子密鑰分發。他們創新性地給出利用單一超構表面產生多種SAM-OAM雜化態并執行多種協議量子密鑰分發的原理和方案(圖1)。具體來說，當糾纏光子對中的一個光子被發送到路徑1并與超構表面相互作用時，光子從超構表面的不同通道出射，并且其自旋角動量和軌道角動量受到超構表面調控。通過精心設計超構表面，可以產生多個雙光子SAM-OAM雜化態。在此基礎上，將所產生的可分離態|Ψαq?12,|Ψβp?12用于執行基于BB84協議的量子密鑰分發；同時將所產生的雜化糾纏態|Ψγm?12用于執行基于BBM92協議和E91協議的量子密鑰分發。
 

　　研究組理論設計并實驗制備出四通道硅超構表面(尺寸為258×258μm2)，在經典光條件下測量了每個通道的透過率、電場強度和相位分布(圖1)；然后利用該超構表面與偏振糾纏光子對相互作用，產生出四個SAM-OAM雜化態，其中兩個為可分離態|Ψ112,|Ψ212，另兩個為雜化糾纏態|Ψ312,|Ψ412。通過量子態層析及最大似然估計算法，重構出雙光子SAM-OAM雜化態的密度矩陣(圖2)，結果證實了這四個雜化態的產生。更進一步，他們將可分離態|Ψ112,|Ψ212用于執行BB84協議，將雜化糾纏態|Ψ312,|Ψ412用于執行BBM92協議，均獲得了高密鑰率和低量子比特誤碼率(圖2)。實驗結果表明超構表面能夠實現多個SAM-OAM雜化態的產生和分發，并且可以將這些態應用到基于BB84和BBM92協議的量子密鑰分發中。值得一提的是，該方案不僅適用于BB84和BBM92協議，還可以拓展到更多基于單光子源或者糾纏源的量子密鑰分發協議，如T12和E91協議等。此外，基于超構表面產生并分發的雜化態還能應用于量子秘密共享、量子隱形傳態等方面。
 

　　該項工作所實現的利用單一超構表面實現多種協議量子密鑰分發的方案，在信息安全上具有重要意義。單一超構表面支持多種量子密鑰分發(QKD)協議，使得通信系統可以靈活地根據網絡環境、信道噪聲、攻擊威脅等動態切換協議，不受限于單一協議，提高了量子通訊系統靈活性和適應性。此外，鑒于不同的QKD協議在面對不同攻擊時具有不同的優勢，通過多協議共存和切換，可以組合各協議的強項，增加整體系統的安全性。不同于龐大笨重且電磁損耗大的傳統光學系統，用于實現多協議量子密鑰分發的超構表面在尺寸、重量和綜合能耗等方面具有顯著優勢，有利于構建空間受限(如衛星通信)或大規模部署(如城市量子網絡)的系統。
 

　　相關研究成果以“AMultichannelMetasurfaceforMultiprotocolQuantumKeyDistributions”為題,近日發表于NanoLetters。該工作由南京大學彭茹雯和王牧研究組合作完成。南京大學物理學院已畢業的江越博士是該論文的第一作者，博士生鐘瑞、碩士生張虎林、已畢業的王錚博士、博士生劉奕飛、唐文杰和王梓瑜參與了該項工作，范仁浩副教授、祁冬祥博士等也參與了部分工作。彭茹雯教授和王牧教授是該論文的通訊作者。該研究獲得國家重點研發計劃和國家自然科學基金委的資助，同時得到南京大學固體微結構物理全國重點實驗室、物理學院、人工微結構科學與技術協同創新中心、江蘇省物理科學研究中心等支持。
 

　　圖1.基于單一超構表面產生多種SAM-OAM雜化態并用于多種協議量子密鑰分發的原理圖(左圖);
 

　　實驗制備的硅超構表面SEM圖以及四個通道的透過率、強度分布圖和干涉圖樣等實驗結果(右圖)。
 

　　圖2.四個SAM-OAM雜化態的重構密度矩陣(左圖);其中兩個態用于執行BB84協議,實驗測量得到探測概率矩陣(右上圖);另外兩個態用于執行BBM92協議,實驗測量得到探測概率矩陣(右下圖)。