19 世纪末至 20 世纪初，科学家们意外发现，支配整个宏观世界运转的经典物理定律居然在一个全新的“世界”失去效用，那就是微观尺度的量子世界。自那以后，人类一直渴望观察到这个全新“世界”的全部版图，但是，其图景依然比我们想象得更加包罗万象。

或许，我们是时候开发一些新的工具去探索量子世界了。这正是澳大利亚国立大学的一组国际科研团队正在尝试的事情。

最近，他们就开发出一种“量子透镜”，这种非常规镜头厚度约为人类头发丝厚度的 1/100，能够有效传输和检测光量子中编码的信息。这项研究于 9 月 14 日发表在 Science 杂志上。

论文的第一作者、来自中国的澳大利亚国立大学博士研究生王凯对 DT 君说，“‘量子透镜’这个词形象地描述了量子超表面的功能：它可以像镜头一样用成像方法完成对光量子态的测量，帮助我们观测奇妙的量子世界。”

图丨王凯（来源：澳大利亚国立大学）

值得一提的是，这项研究也创造性地将超材料研究和量子光学结合在了一起。超材料是调控光束的非常有力工具，而光子是非常理想的量子信息传输媒介，二者的结合不仅会拓宽超材料的应用范围，也很可能会为光量子信息处理提供新思路新方案，促进量子光学从实验室走向工业应用。

超表面首次在量子领域大放异彩

正如上文所言，这次的“量子透镜”，其实是一种超表面。超表面本身以往一些研究曾发现其存在十分有趣的经典光学特征，如负折射率和“隐形斗篷”。

图丨一种“隐形斗篷”的原理示意图。（来源：Science ）

王凯向 DT 君解释说：“超表面来自于超材料的概念。通过纳米微结构实现的光学超材料可以表现出自然材料不具备的性质，在多领域有着广泛应用。尤其近年来，超材料研究的一个前沿方向，是使用只有一层或几层纳米结构的超表面。”

他介绍，超表面可实现经典光学元件无法实现的功能。比如，用超表面制作的超透镜未来可能会取代智能手机厚厚的镜头组，让手机做得更加轻薄；也可以作为未来医疗传感器的重要部件等等。另外，高透射率的超表面也可以串联使用成为人工智能（例如深度学习）的定制计算元件，可以节能地以光速实现特定的计算功能。

也正是因为看到超表面在经典光的调控中发挥的强大作用，团队相信，超表面在量子光学领域也有很大的应用潜力，尽管这在此前尚未得到充分探索。

图 | 基于超表面的多光子量子态测量及重构的方法研究发表在 Science 杂志上（来源：Science）

最终，他们成功将纳米超表面应用在量子光学信息领域，实现了对量子态多个投影的同时成像，稳健地重构出多光子偏振编码态的振幅、相位、相干性和纠缠度等。

在研究中，团队没有照搬传统的依靠分束元件或者波导的方式，而是充分发挥超表面的优势，将它作为成像元件来使用，像“拍照”一样观察量子世界。