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”古英教授研究团队，提出了一种基于单片相位梯度超表面实现光子时域波形转换的新原理，为光量子网络中的波形不匹配问题提供了一种具有良好集成性和应用潜力的解决方案。相关研究成果以“基于单个相位梯度超表面实现光子时域波形转换”(Conversion of Photon Temporal Shape Using Single Gradient Metasurface )为题，于2025年6月4日在线发表在期刊《激光与光子学综述》(Laser & Photonics Reviews)。

光光子的时域波形在光量子信息处理过程中发挥着关键作用。为了满足多种光量子信息处理任务的需求，需要对光子的时域波形进行按需转换。现有的波形整形方案在集成性和可扩展性方面仍面临诸多挑战，限制了其在片上量子信息处理中的应用。近年来，超表面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，为光子时域维度的调控提供了新的思路。通过在不同频率上施加特定的相位调制，超表面能够在飞秒尺度上调控光子的时间维度。然而，这种依赖于超表面色散的调控机制无法对纳秒尺度的单光子波包进行波形整形，因为在如此窄的光谱宽度范围内（通常小于10-4 nm），其相位响应几乎保持不变，为突破这一限制，需要引入新的时域波形整形机制。

研究团队提出了利用单块超表面实现光子时域波形按需转换的新原理。如图 1 所示，利用超表面的偏振依赖的并行分束功能，可以实现四端口分束，从而可以实现多光子波包干涉。通过合理选取输入光子的线宽、频率、超表面分束比并结合时域测量，就可以实现光子时域波形的按需转换。

基于上述波形整形原理，通过三光子波包干涉，研究团队首先演示了指数衰减波形能以99.7% 的高保真度转换为高斯波形，转换生成的高斯波形光子将在确定性量子态传输、确定性受控量子逻辑门的实现等方面具有重要应用。进一步的，基于超表面的波包干涉过程，研究团队演示了高斯波形光子也可以高保真度地转换为指数衰减波形和指数增加波形。转换生成的指数增加波形光子将有助于实现光子比特的高效存储，而指数衰减波形光子和高斯波形光子的相互转换也将有助于解决光量子网络中的波形不匹配问题。

这项研究提出的基于多光子波包干涉的波形整形机制，成功解决了超表面难以调控纳秒尺度光子波包时域波形的难题。该波形转换机制既不依赖于超表面本身的色散，也无需依靠材料的非线性效应或电光效应，具有紧凑高效的特点。该研究为集成量子网络中光子时域波形不匹配的问题提供了新的解决思路，有助于实现高保真度的片上量子信息处理和高效量子存储。

北京大学物理学院现代光学研究所博士后田朝华为论文第一作者，古英教授和2020级博士研究生刘旗为论文的通讯作者，论文作者还包括2022级博士研究生田宇。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。