近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室和纳光电子前沿科学中心“极端光学创新研究团队”龚旗煌院士和古英教授提出了一种基于单片相位梯度超构表面实现紧凑量子受控相位门的理论方案，为超紧凑的片上量子信息处理提供了全新的技术路径。相关研究成果以“单片超构表面上的量子受控相位门”(Quantum CZ gates on a single gradient metasurface)为题，在线发表期刊《光：科学与应用》(Light: Science & Applications)。

集成光量子计算作为量子信息科学的重要分支，其核心挑战之一在于实现高保真度的片上两比特量子逻辑门（如受控相位门，即CZ门）。传统方案通常依赖体积庞大的光学元件或复杂的光波导结构，在器件尺寸、扩展性和效率等方面存在一些局限性，限制了量子器件集成密度的提升。近年来，超构表面技术因其独特的亚波长尺度光场调控能力和优异的芯片兼容性，为解决这一难题提供了创新思路。尽管近些年来超构表面在量子光场操控方面取得了相关进展，然而，如何利用超构表面实现高保真度的两比特量子逻辑门操作，仍是当前亟待突破的关键科学问题。

研究团队通过设计一种具有几何相位梯度的超构表面，利用其偏振依赖的并行分束功能，首次提出了在单片超构表面上实现偏振编码(如图1)和路径编码的量子CZ门的理论方案。在研究团队前期的研究中，发现单片几何相位梯度超构表面可以发挥类似并行排布的分束器阵列功能，即并行分束。在本工作中，进一步利用了超构表面并行分束提供的多光子干涉能力，通过合理设计分束比并选取三个相邻的圆偏振分束过程，成功在单片超构表面上构建了偏振编码的CZ门[如图2(a)所示]。

借助超构表面分束的并行特性，可以在同一片超构表面上实现路径编码CZ门[如图2(b)所示]，以及多个独立操作的偏振或者路径编码CZ门。此外，还可以实现两个CZ门级联，直接在超构表面上构建简单三比特操作量子线路[图2(c)]。

这项研究为超紧凑片上光量子逻辑器件的集成提供了新的思路，进一步将量子逻辑操作与超构表面的多自由关联调控能力结合，有望实现基于超构表面的高维纠缠态制备、量子检错及量子纠错，为基于超构表面的多功能量子信息集成提供了理论指导。

北京大学物理学院现代光学所2020级博士研究生刘旗为论文第一作者，古英为论文的通讯作者，主要合作者还包括南方科技大学李贵新教授、中国科学技术大学任希锋教授等。该工作得到了国家自然科学基金、极端光学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心、科技创新2030重大项目等的支持。