超表面通常由单层亚波长尺寸的金属或介质纳米天线阵列构成，能够对出射光的振幅、相位、偏振态、频率等物理量进行灵活的调控。相比于基于空间光调制器的传统全息方法，基于超表面的全息方法具有再现像分辨率高、视场角大以及不存在高级衍射级次串扰等优点。

　　受益于超表面强大的多维度光场调控能力，多幅独立的全息图能够编码于同一超表面之中，进而通过复用的方式提高全息图的信息容量。同时，超表面全息成像方法也为在小型化光学系统当中实现光束整形提供了新的思路。

　　随着量子信息科学技术的发展，将具有小型化优势的超表面全息成像用于量子信息科学是一个自然的想法。单光子是量子信息科学中的典型量子光源，具有波粒二象性。单光子波包的空间分布满足量子波函数描述，对单光子进行量子探测，单光子波包将量子塌缩到某一确定位置。目前的超表面全息成像研究大多使用激光照明，基于单光子光源照明的超表面全息成像尚未实现，单光子与超表面相互作用时如何体现波粒二象性也有待于进一步研究。

　　为解决以上问题，且实现基于量子光源的超表面全息成像，新葡萄88805官网张安宁教授课题组和黄玲玲教授课题组合作，优化实验光路，减少量子光源的损耗，通过量子态调控实现了基于量子光源的多通道超表面全息成像，并提高了量子成像结果的对比度。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第11期。

　　该工作首先利用改进的Gerchberg–Saxton算法，生成了多幅相位相关联的全息图。利用双折射介质超表面结合偏振旋转矩阵，将多幅全息图编码到同一超表面的不同偏振通道之中。在使用激光照明的情况下测试了样品的全息成像功能，然后搭建了使用量子光源照明和扫描探测的超表面全息实验装置，如图1所示。

图1 使用量子光源和扫描探测的超表面全息实验装置图

　　该工作中使用的量子光源是预报式单光子源，依靠一个信号光子来预报另一个闲置光子的存在，因此需要对信号光子进行探测。另外该工作还使用一个探测器来探测输入光经过偏振分束器反射的光子，通过调节反射光计数率到最低来确保输入到超表面上的光最强，保证了高的光子利用率。

　　通过控制输入和输出的偏振态，可以实现不同通道的展示，如图2所示。对于单光子来说，其传播过程满足量子波函数的描述，对于输入和输出偏振态的控制实际上是将单光子的波函数投影到了特定的测量基下，这种投影测量的结果就是量子态坍缩，经过投影测量的单光子的波函数发生了改变，而不仅仅是强度的减弱。

图2 成像结果：第一行为模拟结果，第二行为激光光源照明并使用CCD拍摄的结果，第三行为量子光源照明并使用扫描成像的结果

　　图2表明量子光源的成像结果和激光光源的结果基本一致。这一结果说明光量子在经过超表面时会和整个超表面发生作用，单个光子会受到整个超表面的调制。这一现象满足量子波函数的描述，说明量子波函数可以被亚波长结构的超表面调制。该结论将有效的拓展超表面在量子调控中的应用。