亮点 | 超构光学向量子世界延伸，用纳米结构重塑非经典光

Photonics Research 2026年第3期Editors’ Pick：

Hooman Barati Sedeh, Natalia M. Litchinitser, "Bridging meta-optics to quantum-optics: manipulating nonclassical light with structured materials [Invited]," Photonics Res. 14, B249 (2026)

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超构光学正从经典领域向量子领域拓展，其多维度、亚波长尺度的光场调控能力为量子态操控带来了全新机遇。杜克大学Natalia M. Litchinitser教授团队从超构光学与量子光学的交叉视角出发，系统梳理了基于结构化材料实现非经典光场调控的最新进展。该综述首先阐述了奇点光学、结构光场及电磁场量子化等基础理论，进而深入探讨了超构光学在高效非线性量子过程、光子对发射方向与偏振调控、量子全息、鬼成像等前沿应用中的重要突破。此外，综述前瞻性地指出了超构光学平台与量子系统融合的发展方向，不仅为在纳米尺度下实现非经典光的可扩展操控提供有效途径，也为深化超构光学在量子领域的应用研究开辟了新思路。

——张朝阳教授，西安交通大学

Photonics Research青编委

光，既是人类认知世界的窗口，也是一门深邃的科学。在经典光学中，光被视为连续的电磁波，能够被透镜、棱镜等元件整形、聚焦和偏转。而在量子光学中，光由离散的光子构成，展现出叠加、纠缠、单光子发射等非经典行为。这两幅看似对立的图景，逐渐催生出两个既紧密相关又各自发展的学科分支，长期以来这两大分支长期并行发展，鲜有交集。

如今，它们正走向交汇。随着超构表面等结构化材料的兴起，超构光学正向量子领域延伸，为量子光的产生与调控开辟出全新路径。近日，杜克大学Natalia M. Litchinitser教授团队在Photonics Research 2026年第3期发表题为“Bridging meta-optics to quantum-optics: manipulating nonclassical light with structured materials [Invited]”的综述论文，系统梳理了这一交叉领域的最新进展。

波与粒子，两条道路的相遇

超构光学，建立在能够以亚波长尺度调控光的工程化纳米结构之上。过去，它的发展主要集中在经典光学领域，实现了对光的相位、振幅和偏振等维度的精准控制，并且器件平台极为轻薄。而量子光学则长期依赖于体块光学元件，重点在于产生和控制光的非经典态，服务于量子通信、量子传感和量子计算等前沿应用。

这也引出一个关键问题：超构光学的思想与方法能否拓展到量子领域？我们能否设计出能同时塑造光的“结构”与“量子属性”的系统？对这些问题的回答，将直接决定下一代光量子技术的前景。

从分立到协同，结构材料成为量子调控新工具

在这篇综述中，研究人员聚焦的最新进展利用超构表面和超构材料等结构化材料，将超构光学与量子光学连接起来；核心在于理解这些材料如何与非经典光相互作用，如何以全新方式对其进行调控。

从理论层面看，研究者正超越经典的传播模型，将量子效应纳入其中。这些理论模型描述了量子光场在与超构表面和纳米结构相互作用时的演化规律，涵盖了光子统计、相干性、纠缠等量子光学的核心特征。

在实验层面，如图1所示，多条技术路径齐头并进。一个重要方向是集成超构表面与量子光源。例如，将单光子发射体与结构化材料结合，可以精准控制发射光子的方向和偏振。另一类方法则利用超构表面在量子态产生之后进行操控，如对纠缠光子进行态变换或空间模式整形。此外，谐振纳米结构还被用于增强光与物质的相互作用，从而增强了对量子过程的调控能力。

图1 超构表面调控量子光的部分核心能力：(a) 双向发射方向性可控的光子对；(b) 偏振纯度，高Q模式与纯态光子；(c) 非局域共振，效率提升450倍

超构表面：从被动元件到主动量子调控平台

研究表明，结构化材料已不再是被动元件，而是能够主动塑造和引导非经典光的工具。如图2所示，超构表面由平面排列的纳米结构（即超构原子）构成，其几何形状在空间上变化，可以在亚波长尺度引入相位突变，从而灵活调控光波前。

图2 超构光学与量子光学之间联系示意图

这种相位调控主要来自两种机制：一种是传播相位，由超构原子内部的光程长度决定；另一种是几何相位，即通过偏振旋转获得的Pancharatnam-Berry相位。除了线性的波前调控，超构表面还能通过局域共振（单个超构原子内部）和非局域共振（如衍射耦合形成的集体晶格效应），显著增强并按需调控非线性光学过程。这些共振效应带来极强的局域场增强，使非线性谐波信号的产生和调控摆脱了传统相位匹配条件的限制。

得益于紧凑的尺寸、共振场增强和先进的波前设计能力，超构表面能够实现对单光子和纠缠光子对的空间、时间与自旋自由度的精准操控，这使得可以产生复杂的量子态，包括自旋—轨道混合纠缠态和高维度的轨道角动量模式。值得强调的是，这些功能并非通过改变量子发射体或探测器本身来实现，而是通过超构表面重构光子的演化环境，因此具有良好的平台兼容性，可适用于固态发射体、非线性晶体等多种量子体系，并兼容于集成光子芯片。

这些进展共同指向一种新的研究范式：在同一个平台上，同时设计光的空间结构与量子属性。结构化材料使得这些原本分开处理的自由度能够被统一调控，为实现更精密、更灵活的操控创造了新机会。在保持量子特性的前提下对光子进行整形，使得量子器件可以向更紧凑、更高效、更灵活的方向发展。结构化材料有望替代庞大的传统光学系统，使片上集成成为现实。在量子通信领域，结构光可利用更多自由度携带更多信息；在量子成像与传感中，增强的光与物质相互作用可提升灵敏度与分辨率。与此同时，量子全息、单光子级别的光束整形等新兴概念也正受到越来越多的关注。

总结与展望

尽管进展令人鼓舞，超构光学与量子光学的融合仍面临诸多挑战。非经典光对材料中的损耗、噪声和缺陷极为敏感，在增强光与物质相互作用的同时保持量子相干性并非易事。目前，多数研究集中在自发参量下转换（Spontaneous Parametric Down-Conversion，SPDC）等频率下转换过程，单光子上转换尚未被充分探索。此外，如何在同一平台同时实现高效非线性转换与灵活的波前整形，仍是亟待解决的关键问题。

展望未来，非局域高Q超构表面有望为单光子上转换提供一条可行路径；人工智能驱动的逆向设计则可能实现对纳米尺度光与物质相互作用的空前控制。同时，将超构表面直接集成于光纤端面或垂直腔面发射激光器，有望催生即插即用的便携式量子光源。此外，基于三阶非线性过程的光子三重态产生，将为非高斯量子态和真正多方纠缠的制备开辟全新领域。

正如爱因斯坦所言：“五十年来不断的深思，并未让我更接近‘光量子是什么’这个问题的答案。”如今，超构光学与量子光学的深度融合，正在为这道难题提供全新的实验平台和理论工具。或许，答案的线索就隐藏在这些人工设计的纳米结构之中。

作者简介

Natalia M. Litchinitser，杜克大学电气与计算机工程系、物理系、机械工程与材料科学系教授。她的研究聚焦于非线性与量子光学在工程化纳米结构、超构材料、拓扑光子学以及光束整形等领域。她在伊利诺伊理工学院获得电气工程博士学位，在莫斯科国立大学获得物理学硕士学位，曾于2000年在罗切斯特大学光学研究所从事博士后研究。她已发表超过350篇期刊与会议论文，撰写8个特邀专著章节，是IEEE、APS、Optica和SPIE的会士。

Hooman Barati Sedeh，杜克大学电气与计算机工程系博士。2021年获得美国马萨诸塞州波士顿东北大学电气工程-电磁学硕士学位，2019年在伊朗科技大学获得电气工程-通信学士学位。他曾获杜克大学菲茨帕特里克光子学研究所Chambers学者奖，是Sigma Xi科学研究荣誉学会会员；其研究方向包括亚波长散射体中光与物质相互作用的理论与实验研究，涉及非线性光学、量子光学、手性光学响应以及散射调控等。

科学编辑 | 史冬冬

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[1].Martino De Carlo, Silvia Romano, Francesco Dell’Olio, Vittorio M. N. Passaro, "High-Q integrated resonators for biosensing and chemical sensing: from non-Hermitian resonators to quasi-BIC metasurfaces," Photonics Res. 14, A39 (2026)

[2].Yinian Wei, Zhaoxin Geng, "Transformer-enabled intelligent design of high-Q quasi-BIC metasurfaces for molecular vibrational fingerprinting," Photonics Res. 14, 1441 (2026)