经典系统中可重构超表面的量子启发叠加与非可分离态研究

《Nature Communications》：Quantum-inspired superposition and nonseparable states of reconfigurable metasurfaces in classical systems

为解决传统信息超表面信息容量与并行处理能力受限的问题，研究人员开展了基于可重构时变超表面的量子启发态研究。通过机械旋转调控PB相位，实现了庞加莱球上任意偏振态的模拟叠加态，并构建了偏振-空间模式的模拟非可分离态。该工作为经典系统模拟量子信息处理提供了新平台，有望推动量子物理与信息科学的交叉发展。

　　

在信息科学飞速发展的今天，经典比特与量子比特作为两大基石，始终在相互借鉴中推动着技术变革。传统信息超表面虽然通过数字编码实现了电磁波调控，但其二进制特性限制了信息容量和并行处理能力。而量子比特虽具有叠加和纠缠等优越特性，却面临环境干扰大、难以稳定存储的困境。如何将二者的优势结合，在经典系统中实现量子启发的高维信息处理，成为学界亟待突破的难题。

近日，《Nature Communications》发表了东南大学崔铁军团队的研究成果，通过设计一种可重构时变超表面，在经典电磁系统中成功实现了模拟量子叠加态和非可分离态。该工作创新性地利用机械旋转调控Pancharatnam-Berry（PB）相位，使超表面单元能够在庞加莱球上覆盖任意偏振态，突破了传统数字编码的维度限制。研究人员通过多层级金属-绝缘体-金属（MIM）结构设计，结合步进电机驱动系统，实现了对每个超表面单元（meta-atom）的独立精准控制。这种设计不仅避免了相邻单元旋转时的摩擦碰撞问题，更通过引入时间维度，为模拟量子比特的叠加特性提供了物理基础。

关键技术方法包括：1）采用三明治结构的可旋转超表面单元设计，通过步进电机控制绝缘层实现γ₁/2和κ₁/2的相对旋转；2）基于PB相位理论实现2α的相位调制，覆盖0-2π全相位范围；3）搭建微波暗室测量系统，使用矢量网络分析仪（VNA）和双喇叭天线测量反射系数{r_uu, r_uv, r_vu, r_vv}；4）通过琼斯矩阵（Jones matrix）变换理论预测偏振态演化路径。

可重构时变超表面

研究团队首先对比了经典比特与量子比特的数学表征差异。传统数字编码超表面通过PIN二极管切换实现二进制状态（δ=0或1），而量子启发比特则采用模拟叠加态数学表达式|Ψ?=cos(θ/2)|R?+e^iφsin(θ/2)|L?，其中|R?和|L?分别代表右旋圆偏振（RCP）和左旋圆偏振（LCP）基矢。通过设计圆形绝缘层结构和对称弧形金属贴片，超表面单元可在保持中心对称性的前提下实现全空间旋转，从而覆盖庞加莱球上所有可能的偏振状态。

可重构时变超表面单元

单元结构采用五层MIM设计，第三层金属贴片包含弧形对和矩形条，第一、五层为对称弧形。当设置γ₁=κ₁时，结构呈现中心对称性，绕z轴旋转α角度可产生2α的PB相位变化。全波仿真显示，在1-8 GHz频段内，单元在线偏振入射下的琼斯矩阵元素满足镜像对称性（R_UV=R_VU=0），且R_UU与R_VV幅值近似相等。通过135°旋转实验，研究人员观察到反射波偏振态在庞加莱球上的演化轨迹，理论预测与数值仿真结果高度吻合。

经典系统中可重构超表面的模拟叠加态

通过调控等效弧长（γ₁+γ)/2和(κ₁+κ)/2，研究人员实现了|R_RR|从1到0的连续变化，同时保持∠R_RR不变。这使得偏振态可沿庞加莱球纬度线扫描（θ从0到π），而通过调整整体旋转角α（0°到180°），可实现经度角φ的360°全覆盖。实验证明，在固定α=0°时调节γ₁、κ₁，或固定等效弧长时调节α，均可精确控制最终偏振态在庞加莱球上的位置。

经典系统中可重构超表面的模拟非可分离态

研究团队进一步探索了偏振与空间模式的模拟纠缠现象。通过设计两种编码图案（coding pattern 1和2），利用PB相位的自旋共轭对称性，实现了光自旋与远场空间模式的非可分离关联。当水平线偏振波照射时，散射场图案显示自旋向上（?+90°|R?）和向下（?-90°|L?）状态分别对应于(11.0°, 0°)和(-11.0°, 180°)的空间模式，施密特数（K）计算结果为2，表明达到了最大纠缠度。这种现象可视为经典电磁波中的自旋霍尔效应模拟。

可重构时变超表面的实验验证

研究人员制备了包含576个独立可控单元的超表面原型（570×560 mm²）。在5.33 GHz工作频率下，测量了三种样品（相同旋转角不同等效弧长、不同旋转角相同等效弧长）的偏振转换效率。实验结果与仿真数据高度一致，验证了数学表征和几何表征的正确性。虽然当前机械调制速度限于毫秒量级，但该平台为后续电控、光控等快速调制方法奠定了基础。

这项研究通过可重构时变超表面平台，成功将量子信息科学中的核心概念引入经典电磁系统。其创新性不仅体现在实现了庞加莱球全域覆盖的模拟叠加态，更在于构建了偏振-空间模式的模拟非可分离态，为经典系统模拟量子信息处理提供了新范式。尽管当前机械调制速度存在局限，但该工作提出的量子启发比特概念为发展高速高容量信息平台指明了方向。未来通过电控、光控等快速调制技术的集成，有望在量子物理探索和经典信息科学领域同时取得突破性进展。