湖南大学罗海陆教授课题组提出了一种基于非对易超表面与纠缠光子相互作用来实现多元量子路径纠缠的方法，为量子纠缠的生成和调控提供了新的方法和思路，为未来量子通信、量子计算等量子技术的发展奠定了坚实的基础。

量子纠缠作为量子力学的核心概念，是量子信息科学的关键资源，广泛应用于量子通信和量子计算等领域。然而，传统量子纠缠多基于单一自由度，限制了量子信息处理的效率和容量。近年来，多自由度量子纠缠的研究取得进展，但如何更紧凑、灵活地生成和调控复杂量子纠缠态仍面临挑战。超表面作为一种人工二维材料，能够精确控制光的振幅、相位和偏振，实现复杂的光学功能，为量子纠缠的灵活操控提供了新途径。目前，超表面在量子纠缠领域的潜力尚未充分挖掘。

针对上述挑战，湖南大学罗海陆教授课题组提出了一种基于非对易超表面与纠缠光子相互作用来实现多元量子路径纠缠的方法。与传统的物理路径或其他自由度的路径不同，该研究中的量子路径纠缠是光子在庞加莱球上的演化路径纠缠。

图1 非对易超表面实现结构光子的多元量子路径纠缠原理。不同组合顺序的非对易超表面(MAB, MBA)实现路径纠缠在m=1 (绿色)与m=-1 (红色) HOPS之间切换

该研究利用超表面的非对易性质(即不同功能超表面的级联顺序会导致不同光学响应)，通过调整超表面的组合顺序，可以实现量子路径纠缠在不同高阶庞加莱球(higher-order Poincaré sphere, HOPS)之间的动态切换。如图1所示，当信号光子依次通过超表面MA和MB时，可以在m=1阶HOPS上生成心形的量子路径纠缠；而当超表面的顺序调换为MB和MA时，心形量子路径纠缠则会被切换到m=-1阶HOPS上。超表面的非对易性为量子纠缠的调控提供了更多的自由度，拓展了量子信息处理的维度。

图2 非对易超表面实现结构光子的多元量子路径纠缠在多阶庞加莱球之间的切换(m=1 (green), m=3 (orange), m=-1 (red))

基于非对易超表面在不同高阶庞加莱球之间切换多元量子路径纠缠的能力，研究人员进一步拓展了其在更广泛高阶庞加莱球上的多功能性。引入三个超表面以进一步利用非对易特性，使得多样化量子路径纠缠不仅可以在相反阶HOPS之间切换，还可以在不同的非相反阶数HOPS之间切换。考虑了三种特殊的级联超表面顺序MA-MB-MC、MB-MA-MC和MB-MC-MA，在不同阶次的HOPS (如m=1、m=3、m=-1等)上实现了量子路径纠缠的切换与生成(如图2所示)。该成果不仅验证了非对易超表面在量子纠缠调控中的灵活性，更为量子通信中的高维信息编码与量子计算中的并行处理提供了潜在的途径。

该研究不仅为量子纠缠的生成和调控提供了新的方法和思路，而且为未来量子通信、量子计算等量子技术的发展奠定了坚实的基础。非对易超表面的引入有望推动量子光学领域向更高效、更灵活的方向发展，为实现复杂量子协议和高维量子系统提供了可能。该工作以“Noncommutative metasurfaces enabled diverse quantum path entanglement of structured photons”为题发表在Opto-Electronic Science 2025年第10期，并被选为封面文章。

研究团队简介

湖南大学罗海陆教授课题组依托微纳光电器件及应用教育部重点实验室，在自旋光子学、光学模拟计算与全光图像处理、量子测量与量子成像领域进行了系统而深入的研究并取得了系列进展，发展了基于光子自旋霍尔效应的精密测量技术与全光图像处理技术。带领课题组在Physical Review Letters、PNAS、National Science Review、Science Advances、Light: Science & Applications、Reports on Progress in Physics、Opto-Electronic Advances、Opto-Electronic Science等学术期刊发表论文100余篇，这些论文被国内外同行引用达11287次，H因子为54 (Google Scholar)。此外，罗海陆教授还取得了多项成果：荣获2020年度教育部自然科学二等奖；自2020年起至2024年，连续五年入选爱思唯尔中国高被引学者。

团队成员合照