如果量子信息是一封信，光子就是最理想的“信使”。
如何才能像下指令一样，让这位“信使”精准地知道该去哪里（方向）、以何种形式（偏振）、以多大的“音量”说话（强度）？我校丁飞副教授团队与合作者就实现了这一奇想。
近日，我校信息科学与技术学部丁飞副教授团队与合作者，首次在一枚仅有头发丝直径几分之一（10微米）宽的微芯片上实现了“光子定制”——可按需控制方向、偏振与强度的光子源，为未来量子通信、量子计算和高精度传感开辟了新路径。
这一重磅成果以“On-Chip Emitter-Coupled Meta-Optics for Versatile Photon Sources”为题，发表在国际物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，并因其重要性被选为“编辑推荐”（Editors' Suggestion）在官网亮点展示。同时，美国物理学会旗下权威科学期刊《物理》(Physics)也以“Microchip Provides Made-to-Order Photons”为题，对该研究进行了重点报道。
挑战：如何为光子“量体裁衣”?
光子是量子信息的理想载体，能在不受环境干扰的情况下高速传输信息。
想要在小小的量子芯片上驾驭它们，就必须实现“定制化”——即能够精准控制光子从哪里发射、以何种偏振形式存在以及发射的强度大小。
过去的方案要么依赖体积庞大的光学器件，要么在调控自由度上受到很大限制，难以满足未来量子技术对小型化、高集成度的需求。
突破：芯片上的“纳米天线阵列”
丁飞团队的答案，是在量子芯片上构建一个精巧的“量子发射体-超表面耦合平台”。
他们利用纳米钻石中的氮-空位中心作为量子发射体，当受到激光激发时，会产生一种被称为表面等离激元的表面波。这些波在芯片表面传播时，会遇到精心设计的“纳米超构原子”组成的阵列——如同一个微型天线方阵，它们会将表面波重新“广播”出去，重新散射为光子。
最后，通过改变这些“天线”的尺寸与排布，研究人员就能巧妙地结合共振相位与几何相位的效应，像“调音乐器”一样，实现对光子方向、偏振和强度的精细调控。
图1.微芯片上实现“定制光子”。激光脉冲（图A）激发纳米钻石中的氮-空位中心产生表面等离激元（图A和B中红色和蓝色圆圈所示）。当这些表面波向外传播时，会遇到一系列“纳米超构原子”，并被重新散射为光子。通过选择天线的尺寸和排布，可以生成具有任意方向或偏振的光子（图C中展示了线偏振和圆偏振）。
成果：微米量级上的复杂调控
在实验中，团队取得了多项关键突破：
01高方向性单通道光子发射：能够在指定角度输出线偏振或圆偏振光，偏振纯度接近99%。
02多通道光子源：同时输出多个方向、不同偏振态的光子，为量子并行处理提供可能。
03强度可调控：可以在不同光子通道之间自由分配能量，实现真正意义上的“按需光源”。
04复杂发射模式：通过引入更复杂的相位分布来生成矢量光束和涡旋光束等复杂模式。
图2.样品扫描电镜图。左图与右图的两组天线阵列，分别产生线偏振光子（左）和圆偏振光子（右），并在特定方向上发射。光子的偏振状态并不是由整体阵列的形状（如圆盘或环形）决定，而是由天线的精确排布方式决定。每个阵列的直径大约为10微米。
这些成果表明，仅在10微米量级的芯片上，就能完成过去依赖宏观光学系统才能实现的复杂调控，为微型化量子光学器件的发展奠定了基础。
论文和相关报道链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/klq1-wjjg
https://physics.aps.org/articles/v18/151
