第一作者：胡铁
通讯作者：赵茗
通讯单位：华中科技大学光学与电子信息学院
研究背景
量子计算机的每个量子比特（qubit）是传统比特数0和1的量子叠加。相较于传统计算机，量子计算机的计算力有指数级的提升，从而具有“量子优越性”。离子阱(trapped ion)量子计算机是当前量子计算机中最成熟和最有前景的类型之一。然而，受限于光学寻址系统中自由空间光学器件的低集成度和大体积，离子阱量子计算机面临可拓展性差的难题。现有光学聚焦器件，如折射透镜组、微纳加工的菲涅尔透镜阵列，难以同时满足离子阱量子计算机对聚焦透镜阵列可拓展性和聚焦性能的要求。
文章简介
超透镜是一种具有聚焦功能的超表面，具有高效、光学性能优异、集成度高、小型化和与CMOS工艺兼容等优点。现有研究表明超透镜阵列可用于产生二维均匀光斑阵列，并已经应用于光场相机、量子态操控等领域。现有的超透镜阵列大多采用近轴设计，而离轴设计的超透镜具有可任意调整焦点位置的优点。把离轴设计的多自由度和二维超透镜阵列结合起来，有可能设计出一种可拓展超透镜阵列，能高效产生一维均匀排布、间距小，且串扰低的光斑阵列。此超透镜阵列有望提升当前光学寻址系统的可拓展性和集成度。
近期，华中科技大学赵茗研究团队的胡铁等人提出了一种用于光学寻址系统的可拓展超透镜阵列设计，能把入射的二维独立寻址光束阵列汇聚成一维低串扰的光斑阵列，相关工作以Design of scalable metalens array for optical addressing为题于2022年8月4日发表在Frontiers of Optoelectronics期刊上。
图文导读
胡铁等人提出了一种基于近轴和离轴超透镜的可拓展超透镜阵列设计，该超透镜阵列每个元胞中的超透镜在空间上呈中心对称的 “Z”字形排布，如图1所示。能输出任意数量链状排布的光斑阵列，光斑间距约为5μm，串扰小于0.82%，光斑半径0.55μm-0.75μm。
图1 可拓展超透镜阵列的结构示意图。(a)超透镜元胞的示意图。超透镜原跑中的超透镜在空间上呈中心对称的“Z”字形排布，由Nb2O5 或空气柱构成,每一个超透镜与相应标号的聚焦光斑对应。若超透镜阵列元胞中超透镜个数为n，光斑间距为d，超透镜元胞的周期则为d•n。(b)可拓展超透镜阵列的结构示意图。可拓展超透镜阵由一个超透镜元胞在x方向（光斑阵列方向）周期拓展构成。内插图表示输出的一维均匀排布的光斑阵列。在光学寻址中，每一个聚焦光斑对应一个离子
由于空间对称性，在每一个超透镜元胞中，我们只需要研究超透镜2、3和5的光学特性。通过研究这3个超透镜分别在x方向和y方向线偏振光入射条件下的聚焦特性（如图2所示），发现所有超透镜对x方向线偏振入射光能很好地聚焦，对y方向线偏振光能很好地散射，其偏振消光比可以达到13.97
dB。进一步地，该团队也研究了此超透镜元胞的纵向光场分布和光学串扰。可以发现输出的5个聚焦光斑呈链状均匀排布，超透镜2、3和5的光学串扰分别为0.25%、0.15%和0.19%。聚焦光斑之间的低光学串扰能增强量子计算机的保真度。
图2 超透镜2、3、5的聚焦特性，这些超透镜仅对x方向线偏振光敏感
图3 对x方向线偏振光敏感的超透镜元胞的聚焦特性。(a), (b)分别为xz平面和焦平面上的归一化光强分布。(c)-(g)为超透镜元胞中的每一个超透镜独立工作时，焦平面上的归一化光强分布
总结和展望
本论文提出了一种用于离子阱量子计算机光学寻址技术的可拓展超透镜阵列设计，能将入射的二维独立寻址光束阵列聚集为一维链状均匀排布的光斑阵列，光斑间距约为5μm，光斑半径0.55μm-0.78μm，串扰小于0.82%。本论文提出的设计有望解决光学寻址系统中聚焦透镜的可拓展性差和集成度低的难题，在量子信息处理，光与物质相互作用领域有重要的应用前景。
作者介绍
赵茗，华中科技大学光学与电子信息学院副教授。2005年11月华中科技大学物理电子学专业博士毕业，主要研究方向为纳米光学和光电探测。2006年7月~2007年8月在美国内布拉斯加-林肯大学从事博士后研究，开展三维光子晶体研究工作。回国后，建立纳米光子学实验室，开展新型光学超材料、超表面光学器件研究工作。近年来，承担了多项国家、省部级以及横向科研项目，发表学术论文70余篇，授权国家发明专利14项。
胡铁，华中科技大学光学与电子信息学院在读博士研究生。2018年6月合肥工业大学应用物理学专业毕业，主要研究方向为偏振成像、复杂矢量光调控和基于超表面的新型成像器件研究。
课题组简介
2011年春，杨振宇教授和赵名副教授一起组建了纳米光子实验室，该实验室位于湖北武汉华中科技大学新光电大楼。该团队致力于纳米光电的学术前沿，研究方向涵盖了光学超表面的设计与制备、激光三维微纳直写系统与应用、光学多参量探测系统、深度学习+超表面设计、旋转变焦超透镜组的设计与制备等。该团队在Nature Communications、Adv. Opt. Mater. 、Photonics Research、Appl. Phys. Lett.、Opt. Lett.、Opt. Express、J. Lightwave Technol.、IEEE Photonic Technology Letter等期刊上发表论文60余篇，发表会议论文23篇，其中特邀报告3次，授权国家发明专利13项。
延伸阅读：
《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2022版》
《超材料和超表面技术及市场-2021版》
