【News&Views】Light: Science & Applications：超薄超表面量子成像

解决的问题：传统非线性晶体在量子成像中受限于纵向相位匹配条件，导致光子发射角度范围窄、视场（FOV）受限，且成像分辨率较低，难以满足高精度量子成像需求，亟需突破相位匹配限制并实现紧凑化、高分辨率的量子成像技术。

提出的方法：利用非线性超表面（一维光栅结构的铌酸锂超表面）生成空间纠缠光子对，结合量子鬼成像（z 方向）与全光扫描（y 方向，通过调节泵浦激光波长控制光子发射角度）的混合量子成像方法，实现二维物体的高分辨率成像。

实现的效果：实验验证了基于超表面的量子成像可行性，通过 1D 探测器阵列重建二维成像数据，突破传统晶体的相位匹配限制，将光子发射范围拓宽，视场显著增大，成像分辨率较传统晶体提升超四个数量级，且支持亚波长尺度的紧凑集成设计。

创新点：将非线性超表面应用于量子成像，利用其放松相位匹配、亚波长尺度调控非线性响应的优势，结合量子鬼成像与全光扫描，实现二维成像的同时兼具高分辨率（超四个数量级提升）和紧凑化（亚波长厚度），为量子成像、通信和传感提供新平台。

研究成果以题为 “Quantum imaging with ultra-thin metasurfaces” 发表于《Light: Science & Applications》上。韩国蔚山国立科学技术研究院Jongwon Lee为论文作者及通讯作者。

摘要：非线性光学超表面放宽了体非线性晶体的相位匹配限制并允许精确工程化，为量子光子学领域开辟了新可能。近期进展通过实验展示了结合量子鬼成像与全光扫描（利用非线性超表面生成的空间纠缠光子对），使用 1D 探测器阵列实现高分辨率二维成像。这些发现确立了超表面作为量子成像、通信和传感应用的有前景平台。

结论：这项进展凸显了超表面不仅对实现实用化量子成像，还对量子通信和传感应用的重要作用。迈向实际应用的下一步是提高光子对生成率，可通过使用高非线性材料（如 III-V 半导体、铁电材料和二维材料）及为泵浦、信号和闲频光子设计的三重光学共振超表面实现。尽管本研究使用同波长简并光子对，预计该方法可扩展至未探测光子的量子成像与传感等应用，通过多共振纳米天线结构生成不同波长的非简并光子对。此外，若利用通过泵浦波长调谐或电光束转向实现光束操控的超表面，将为超快量子 LiDAR 和实时物体跟踪技术开辟新可能。

图1：基于非线性超表面空间纠缠光子对的量子成像。

文章信息：

Lee, J. Quantum imaging with ultra-thin metasurfaces. Light Sci Appl 14, 150 (2025).

https://doi.org/10.1038/s41377-025-01830-0