古英研究团队提出基于超表面实现光子时域波形转换新原理

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        近日，北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室和纳光电子前沿科学中心“极端光学创新研究团队”古英教授研究团队，提出了一种基于单片相位梯度超表面实现光子时域波形转换的新原理，为光量子网络中的波形不匹配问题提供了一种具有良好集成性和应用潜力的解决方案。相关研究成果以“基于单个相位梯度超表面实现光子时域波形转换”(Conversion of Photon Temporal Shape Using Single Gradient Metasurface )为题，于2025年6月4日在线发表在期刊《激光与光子学综述》[Laser & Photonics Reviews, e00359 (2025)]。

        光子的时域波形在光量子信息处理过程中发挥着关键作用。为了满足多种光量子信息处理任务的需求，需要对光子的时域波形进行按需转换。现有的波形整形方案在集成性和可扩展性方面仍面临诸多挑战，限制了其在片上量子信息处理中的应用。近年来，超表面因其独特的亚波长尺度光场调控能力和优异的芯片兼容性，为光子时域维度的调控提供了新的思路。通过在不同频率上施加特定的相位调制，超表面能够在飞秒尺度上调控光子的时间维度。然而，这种依赖于超表面色散的调控机制无法对纳秒尺度的单光子波包进行波形整形，因为在如此窄的光谱宽度范围内（通常小于10^-4 nm），其相位响应几乎保持不变，为突破这一限制，需要引入新的时域波形整形机制。

        

图1. 借助于单块梯度超表面实现光子时域波形转换的示意图。

        研究团队提出了利用单块超表面实现光子时域波形按需转换的新原理。如图 1 所示，利用超表面的偏振依赖的并行分束功能，可以实现四端口分束，从而可以实现多光子波包干涉。通过合理选取输入光子的线宽、频率、超表面分束比并结合时域测量，就可以实现光子时域波形的按需转换。基于上述波形整形原理，通过三光子波包干涉，研究团队首先演示了指数衰减波形能以99.7% 的高保真度转换为高斯波形，转换生成的高斯波形光子将在确定性量子态传输、确定性受控量子逻辑门的实现等方面具有重要应用。进一步的，基于超表面的波包干涉过程，研究团队演示了高斯波形光子也可以高保真度地转换为指数衰减波形和指数增加波形。转换生成的指数增加波形光子将有助于实现光子比特的高效存储，而指数衰减波形光子和高斯波形光子的相互转换也将有助于解决光量子网络中的波形不匹配问题。

        这项研究提出的基于多光子波包干涉的波形整形机制，成功解决了超表面难以调控纳秒尺度光子波包时域波形的难题。该波形转换机制既不依赖于超表面本身的色散，也无需依靠材料的非线性效应或电光效应，具有紧凑高效的特点。该研究为集成量子网络中光子时域波形不匹配的问题提供了新的解决思路，有助于实现高保真度的片上量子信息处理和高效量子存储。

        北京大学物理学院现代光学研究所博士后田朝华为论文第一作者，古英教授和2020级博士研究生刘旗为论文的通讯作者，论文作者还包括2022级博士研究生田宇。该工作得到了国家自然科学基金、极端光学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心、科技创新2030重大项目等的支持。

        

古英课题组提出基于单片超构表面的量子逻辑门理论方案

         相关报道：来自北大物理人  https://mp.weixin.qq.com/s/4_XsATdZaVhsekd2hF-ADg

        北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理全国重点实验室和纳光电子前沿科学中心“极端光学创新研究团队”龚旗煌院士和古英教授提出了一种基于单片相位梯度超构表面实现紧凑量子受控相位门的理论方案，为超紧凑的片上量子信息处理提供了全新的技术路径。相关研究成果以“单片超构表面上的量子受控相位门”(Quantum CZ gates on a single gradient metasurface)为题，在线发表在期刊《光：科学与应用》上[Light: Science & Applications 14, 193 (2025)]。

          集成光量子计算作为量子信息科学的重要分支，其核心挑战之一在于实现高保真度的片上两比特量子逻辑门（如受控相位门，即CZ门）。传统方案通常依赖体积庞大的光学元件或复杂的光波导结构，在器件尺寸、扩展性和效率等方面存在一些局限性，限制了量子器件集成密度的提升。近年来，超构表面技术因其独特的亚波长尺度光场调控能力和优异的芯片兼容性，为解决这一难题提供了创新思路。尽管近些年来超构表面在量子光场操控方面取得了相关进展，然而，如何利用超构表面实现高保真度的两比特量子逻辑门操作，仍是当前亟待突破的关键科学问题。   

     

图1 偏振编码下的超构表面量子CZ门示意图

        研究团队通过设计一种具有几何相位梯度的超构表面，利用其偏振依赖的并行分束功能，首次提出了在单片超构表面上实现偏振编码(如图1)和路径编码的量子CZ门的理论方案。在研究团队前期的研究中，发现单片几何相位梯度超构表面可以发挥类似并行排布的分束器阵列功能，即并行分束。在本工作中，进一步利用了超构表面并行分束提供的多光子干涉能力，通过合理设计分束比并选取三个相邻的圆偏振分束过程，成功在单片超构表面上构建了偏振编码的CZ门[如图2(a)所示]。借助超构表面分束的并行特性，可以在同一片超构表面上实现路径编码CZ门[如图2(b)所示]，以及多个独立操作的偏振或者路径编码CZ门。此外，还可以实现两个CZ门级联，直接在超构表面上构建简单三比特操作量子线路[图2(c)]。

        图2 利用超构表面的并行分束能力构建量子CZ门。(a) 构建偏振编码CZ门的原理；(b) 路径编码的量子CZ门；(c) 共享控制比特的级联量子CZ门。

        这项研究为超紧凑片上光量子逻辑器件的集成提供了新的思路，进一步将量子逻辑操作与超构表面的多自由关联调控能力结合，有望实现基于超构表面的高维纠缠态制备、量子检错及量子纠错，为基于超构表面的多功能量子信息集成提供了理论指导。        

        北京大学物理学院现代光学所2020级博士研究生刘旗为论文第一作者，古英为论文的通讯作者，主要合作者还包括南方科技大学李贵新教授、中国科学技术大学任希锋教授等。该工作得到了国家自然科学基金、极端光学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心、科技创新2030重大项目等的支持。

        北大出版社与国家大剧院等联合举办“科学元典名篇赏读沙龙”，致敬女性科学家         

        相关报道：https://news.pku.edu.cn/xwzh/af1fd53ecab54ce6ba7a62c042515d1e.htm

        

        2025年3月9日，第115个国际妇女节之际，国家大剧院迎来了一场别开生面的跨界活动——“当科学与艺术相遇：科学元典名篇赏读沙龙”第4期“科学与美的女神”。本次活动聚焦《居里夫人文选》，通过科学、艺术与人文的多元呈现，带领观众走进居里夫人的传奇人生，感受科学与艺术交织的独特魅力。

       ......活动的第二部分聚焦当代女性科学家面临的挑战。古英结合自身科研经历，发表了题为“与光同行：从微纳到量子”的演讲，展现了中国女科学家在科研领域的执着追求......在对谈环节，主持人王翔浅与叶青、古英两位教授围绕“社会对女性科学家的刻板印象如何影响女性科学家的职业发展和自我认同”“科学界是否存在隐形的性别天花板”“女性科学家在申请项目、发表论文、晋升职称等方面是否面临不公平待遇”“政府、大学和科研机构如何为女性科学家提供更好的科研环境和职业发展机会”以及“女性科学家如何在事业和家庭之间找到平衡点”等话题展开热烈讨论。

        古英课题组发现拓扑保护下单光子发射级联增强和高效收集

        相关报道：来自北大物理人  https://mp.weixin.qq.com/s/CWRpPHTsq_jJGQumtQh7Qg

        北京大学物理学院现代光学研究所、人工微结构和介观物理国家重点实验室和纳光电子前沿科学中心“极端光学创新研究团队”龚旗煌院士和古英教授从理论上证明了拓扑保护下的单光子发射的级联增强和发射光子高效的收集可以在包含共振介电纳米盘的拓扑光子晶体中同时实现(图1)。相关研究成果以“拓扑保护下单光子发射级联增强和高效收集”（Cascade Enhancement and Efficient Collection of Single Photon Emission under Topological Protection）为题，在线发表在《纳米快报》[Nano Letters 2024 24 (39), 12277-12284]上。

       微纳尺度的单光子源对于片上量子信息处理至关重要。通过腔内光学模式增强自发辐射，即珀塞尔效应，是实现单光子源的基本原理之一。高光子发射率，高收集效率，高量子产率以及对缺陷和扰动的鲁棒性对单光子源的实际应用来说是基本要素。然而目前支持各种各样光学模式的微纳结构还无法同时满足以上要求。此外，这些微腔的特性在制造过程中会受到缺陷和干扰的影响，这进一步限制了它们在高质量单光子源中的应用。拓扑光子学的鲁棒性和抗散射等独特性质为单光子源的发展带来了新的机遇。实现拓扑保护下单光子的高发射率，高收集率和高量子产率仍然是一个未解决的问题。

        

图1 拓扑保护下单光子发射的级联增强和高效收集，在包含共振介电纳米圆盘的拓扑光子晶体中同时被实现。

      作者团队将共振的纳米圆盘嵌入到拓扑光子晶体支持的边缘态通道中，提出了如图2（a）所示的复合结构。在这样的复合结构中，可以实现拓扑保护下的单光子发射的级联增强和发射光子高效的收集。纳米圆盘的磁偶极共振可以看作是一个大的等效磁偶极子，这个大的等效磁偶极子和边缘态之间有着大的近场重叠，这源于他们之间相似的旋转特性的磁场(图2(c))。这就使得复合结构中的单光子的磁发射可以达到级联增强的效果，Purcell 系数可以达到4000以上。为了定量描述复合结构中的增强效果，作者定义级联增强因子。复合系统可以实现比单独的纳米圆盘或拓扑光子晶体更强的发射增强，并具有级联效应。这里级联增强因子可以达到0.53。同时，发射的光子可以被有效引导在边缘态通道中传播，由于边缘态的鲁棒性，实现了超过90%的收集效率。介质结构的低损耗和拓扑模式的抗散射特性使得量子产率几乎等于收集效率，也就是说，几乎所有的发射光子都可以用于片上光子器件。

图2  (a) 拓扑光子晶体—共振纳米圆盘复合结构示意图。（b）蜂窝光子晶体结构示意图。(c) 由磁量子发射器（棕色箭头）激发的纳米盘的磁偶极子共振可以等效成大磁偶极子（粉色箭头）。纳米盘和等效磁偶极子周围的流线是磁场线。底部是边缘态的电场分布，白色流线是磁场线。

        该研究提出了拓扑保护下单光子发射级联增强和发射光子高效收集的机制，这将为超亮稳定的片上单光子源提供实际应用，也为拓扑结构中腔量子电动力学的研究提供新的见解。

        北京大学物理学院现代光学所2021级博士研究生贾雅利为论文第一作者，古英为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、极端光学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心、科技创新2030重大项目等的支持。

“极端光学创新研究团队”发现拓扑保护下珀塞尔系数的吸收减少效应

相关报道：https://news.pku.edu.cn/jxky/4ab4b28cf55741acbcd4ef47824a770f.htm

北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室极端光学创新研究团队古英教授和龚旗煌教授等在腔量子电动力学和拓扑光子学的交叉研究中取得重要进展：提出了拓扑保护下的边界态主导的模式耦合机制，在此基础上发现了腔量子电动力学弱耦合体系在拓扑光子晶体中的珀塞尔增强的吸收减少效应，并实现了高光子收集效率。相关研究成果发表在物理学权威期刊《物理评论快报》上。[“Absorption Reduction of Large Purcell Enhancement Enabled by Topological State-Led Mode Coupling, Physical Review Letters, 126, 023901 (2021) DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.023901]。

拓扑光子晶体的拓扑态具有光子无散射传播和免疫缺陷的拓扑保护特点，被越来越多地运用在微纳光子学和量子光学器件上，成为重要的光学新兴领域。微纳尺度的单光子源是片上量子信息处理的重要部分，利用微纳光子器件结构的局域场增强来改善单光子自发辐射是实现单光子源的关键原理，但无法避免散射和吸收造成的损耗，且在传输中单光子收集效率不高。研究团队首先提出了由拓扑态主导的模式耦合的原理，通过精心设计光学模式，将金属纳腔置于一维拓扑光子晶体中(图1(a))，通过拓扑态主导模式耦合的机制(图1(b))，实现了超大的珀塞尔增强，并得到了珀塞尔增强的吸收减少效应(图1(c, d))。同时，通过利用拓扑边界态作为光子传输通道，使得非吸收损耗的光子几乎全部被收集的高光子收集效率(图1(d))，最大光子收集率达到了79.5%。这种拓扑态主导模式耦合机制和相应的吸收减少效应，可以拓展到更高维度的光子结构上，对以后的拓扑光子晶体和微纳尺度腔量子电动力学的研究产生重要影响。同时，无散射的大珀塞尔增强可以应用在片上量子光源的制备上。

图1(a) 嵌入金属纳腔的一维拓扑光子晶体示意图；(b) 拓扑态主导的模式耦合机制示意图；(c) 无拓扑光子晶体环境的金属纳腔中珀塞尔增强；(d) 拓扑保护下的金属纳腔的珀塞尔增强。

北京大学博士生钱祉源是文章第一作者，本科生李智超是第二作者，古英教授为通讯作者。中山大学董建文教授参与合作研究。研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委杰出青年基金、量子物质科学协同创新中心、极端光学协同创新中心、纳光电子前沿科学中心、广东省重点研发计划等的支持。

物理学院“极端光学研究创新团队”在PRL发表微纳尺度腔量子电动力学新原理 

相关报道：http://pkunews.pku.edu.cn/xxfz/2017-02/24/content_296787.htm

 

“微纳尺度上的强耦合对于芯片上量子器件集成以及可扩展的量子网络有重大意义。近日，北京大学物理学院、人工微结构和介观物理国家重点实验室古英研究员、龚旗煌院士和山西大学的张天才教授等合作，首次理论上提出利用疏逝电磁真空增强表面等离激元纳腔和量子发射体的可逆相互作用，并利用纳米线的倏逝波对体系辐射出的光子进行有效收集。这项研究成果发表在最新一期《物理评论快报》上[Physical Review Letters 118, 073604 (2017)]，文章题为“Evanescent-Vacuum-Enhanced Photon-Exciton Coupling and Fluorescence Collection”，北大博士生任娟娟是第一作者，古英研究员为通讯作者。

 

随着纳米技术的发展，光学腔的尺寸越来越小，甚至可以达到亚波长尺度或者纳米尺度，同时伴随着非常局域的电场。由于金属的损耗以及低的收集效率，单个表面等离激元纳腔和单个量子发射体的强耦合很少被报道。论文通过精心设计光学模式，将金属纳腔置于金属或者介质纳米线提供的一维的电磁真空背景中，通过一维电磁背景强局域效应，可极大地增强单个量子发射体和金属纳腔的相互作用。理论指出在疏逝的电磁背景下，纳米间隙中的耦合系数可以达到真空中的4.2倍，同时荧光收集效率可提高到47%。此外，这个体系辐射出的光子，还可以通过纳米线的一维倏逝波导入到集成芯片上。

 

图1： (a) 嵌在疏逝真空的金属纳腔， (b) 银纳米线的一维倏逝波， (c)和(d) 纳米线存在时和不存在时的金属纳腔的场分布，(e) 疏逝真空增强的耦合因子。

 

该研究得到国家自然科学基金委“杰出青年基金项目”、“创新群体项目”、科技部“973项目”、以及量子物质科学协同创新中心和极端光学协同创新中心等的支持。

 

 

 

 

间隙表面等离激元增强单光子发射与收集 

相关报道：http://pkunews.pku.edu.cn/xxfz/2015-05/25/content_288964.htm

 

北京大学“介观光学与飞秒光物理创新研究群体”古英副教授和龚旗煌院士等通过将分子放入纳米金属棒与纳米金属膜之间的纳米量级的间隙中并与波矢匹配光纤结合，理论实现了有效的单光子发射和纳米尺度一维低损传导，朝着实现芯片单光子源迈出了重要的一步。该研究结果发表在2015年5月15号的《物理评论快报》上。（Efficient Single Photon Emission and Collection Based on Excitation of Gap Surface Plasmons，PRL 114, 193002 (2015)）。论文第一作者是二年级博士研究生连航，古英副教授为通讯作者。。

 

单光子发射在腔量子电动力学、单光子源和基于腔的激光等领域都有基础的研究兴趣。基于“珀塞尔效应”的原理，通过改变电磁场的局域态密度可以增强自发辐射速率。为了实现光学器件芯片化，多种纳米光子学结构被提出来调控光的自发辐射和收集。介质纳米结构的缺点是对光的自发辐射的加快不够强，表面等离激元结构可以极大提高光子发射速率因此被提出来改善这一处境。其中间隙表面等离激元结构因为可以在金属纳米结构的间隙中达到极强的光场局域性，因而成了实现单光子的超快发射的优秀候选者。

 

通过结合间隙表面等离激元结构中超高的光子发射率与低损耗光纤有效的提取，他们从理论上在金属纳米棒-纳米膜结构中提出了有效的单光子发射与一维纳米尺度的传导。他们发现总的光子发射加快和表面等离激元通道的光子衰减速率变快可以达到只有金属纳米膜时的几十倍。特别的，他们利用波矢匹配光纤将表面等离激元通道的单光子导出，在波导中光的衰减速率可以达到真空中的290~770倍。这种新的机制将会对基于金属的光学腔、芯片上的超亮单光子源、和芯片上的基于表面等离激元的纳米激光器等研究领域有重要影响。

 

上述研究得到国家自然科学基金重大研究计划“培育项目”、“创新群体项目”以及科技部“973项目”、北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室支持。

 

图1：量子发射体与纳米棒-纳米金膜间隙表面等离激元体系耦合，并与波矢匹配光纤结合。 图2：自发辐射速率加快随着纳米棒尺寸变化。

 

 

 

 

 

基于表面等离激元的纳米颗粒电催化反应成像的理论模拟 

相关报道：http://www.phy.pku.edu.cn/research/projects/121004.xml

 

“飞秒光物理和介观光学”基金委创新研究群体龚旗煌教授、古英副教授和博士研究生王珞珈与美国亚利桑那州立大学陶农建教授等合作完成的基于表面等离激元纳米颗粒电催化反应成像的论文于2012年8月26日发表在重要学术刊物 Nature Nanotechnology（Xiaonan Shan, Ismael Díez-Pérez, Luojia Wang, Peter Wiktor, Ying Gu, Lihua Zhang, Wei Wang, Jin Lu, Shaopeng Wang, Qihuang Gong, Jinghong Li and Nongjian Tao, Imaging the electrocatalytic activity of single nanoparticles, http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2012.134.html）。群体成员的主要贡献是对基于表面等离激元的纳米颗粒电催化反应成像过程进行了系统的理论模拟和分析，为实验结论提供了强有力的支持。古英副教授为共同通讯作者，本工作合作者还包括西班牙巴塞罗那大学IBEC和清华大学的研究人员。

 

金属纳米颗粒的电催化性能依赖于它们的数量、大小、形状和组成，对其进行准确的表征要求探测技术能够直接对单纳米颗粒进行测量。有别于测量大量颗粒平均电催化反应电流的传统技术，陶教授及其合作者研究的基于表面等离激元的电化学电流成像（P-ECi）技术可以快速、非侵入式成像并量化大面积电极表面的单铂金纳米颗粒或者纳米颗粒阵列，使其特别适合于快速筛选不同条件下制备的纳米颗粒催化剂。P-ECi技术还可以测量单铂金颗粒的循环伏安曲线。

 

实验测量的结果与利用有限元计算软件COMSOL模拟的理论模型符合的很好。数值模拟给出了铂金纳米颗粒对电极表面传播的表面等离激元模式的散射，证实了单纳米颗粒成像的实验结果（图一a,b,d,e）。改变模型中纳米颗粒附近的折射率，可以模拟电催化反应成像（图一 c,f）。电催化反应发生引起颗粒附近的氢分子浓度增加，环境折射率减小，使其可以通过散射信号的变化进行监控。

 

图一：80nm和40nm铂金颗粒表面等离激元成像的实验和数值模拟结果。

 

通过将表面等离激元光学应用于生物化学探测，陶教授及其合作者获得了可同时进行高通量筛选和单颗粒水平探测的新技术。

研究工作得到国家自然科学基金委“创新研究群体”项目等的资助。

 

 

 

 

“飞秒光物理和介观光学”研究群体发表的论文获中国物理学会“最有影响论文奖”一等奖

相关报道：http://www.phy.pku.edu.cn/news/news12/121004.xml

 

2012年9月中国物理学会秋季年会期间，中国物理学会举行2012年度“最有影响论文奖”颁奖仪式。2000—2008年期间在中国物理B发表的文章共有11篇入选，其中10篇文章获得一等奖，1篇文章获得特等奖。 “介观光学和飞秒光物理”研究群体研究生张海汐，古英副教授和龚旗煌教授2008年在中国物理B发表的论文“基于表面等离激元的可见近红外可调金纳米球壳链波导”荣获一等奖。

 

此项工作基于表面等离激元共振的近场耦合原理，用FDTD方法设计了一种浸没在硅基底上的金纳米球壳链波导。通过改变球壳厚度，传输频率可以在一个比较宽的范围内进行调节(660nm-900nm波段)。分析波导稳态电场分布，发现这种波导的衰减范围为5.948dB/1000nm-12.83dB/1000nm。金纳米球壳链波导优越的调谐性和传输性主要归因于其特有的中空结构。由于这种球壳链波导在实验室中是可以制备出来的，并且有一定的实用价值，工作受到了国内外同行的关注并被多次引用。

 

 

 

 

“飞秒光物理和介观光学”创新研究群体在介观光学研究中继续获得重要进展

相关报道：http://www.phy.pku.edu.cn/research/projects/120423.xml

 

继本月在一个非对称T型狭缝结构单元中观察到表面等离激元类电磁感应透明现象之后，“飞秒光物理和介观光学”创新研究群体龚旗煌教授、古英副教授和研究生发现了在表面等离激元结构诱导的亚波长尺度各向异性Purcell系数下的原子自发辐射谱线的变窄。论文于2012年4月18日发表在重要刊物Nano Letters（Ying Gu, Luojia Wang, Pan Ren, Junxiang Zhang, Tiancai Zhang, Olivier J. F. Martin, and Qihuang Gong, Surface-Plasmon-Induced Modification on the Spontaneous Emission Spectrum via Subwavelength-Confined Anisotropic Purcell Factor, http://dx.doi.org/10.1021/nl300655n）。本工作合作者还包括山西大学和瑞士EPFL的研究人员。

 

纳米技术的发展使得在纳米尺度上光和物质的相互作用研究成为焦点，并可能用于解决目前信息科技中器件的小型化问题。近年来，由纳米金属结构内部的自由电子的集体振荡模式而形成的表面等离激元受到关注。本工作利用纳米金属结构的表面等离激元诱导的各向异性的Purcell系数和量子干涉原理的结合，提出了各向异性Purcell系数下四能级原子中自发辐射谱线线宽的控制机理。作为原理的证实及其在表面等离激元结构中的应用，发现了限制在亚波长尺度内的表面等离激元结构诱导的各向异性Purcell系数导致的纳米金属线附近的谱线变窄、周期性纳米金属结构中的谱线由窄到宽的线宽“脉动”（下图）、以及共振的纳米金属结构中的谱线线宽剧烈变化。这种纳米金属结构和量子的联合体系将会在有源、超紧凑的纳米器件中有一定的应用。

 

表面等离激元周期性结构在纳米尺度上对原子自发辐射光谱线宽的周期性调制

 

审稿人指出本研究工作“目前正处在一个流行的活跃的研究方向上（This is a popular and active research direction at this moment.）”，并且“架起了量子光学和拥有纳米结构的表面等离激元光学的桥梁（The paper bridges the fields of quantum optics and plasmonics that is useful for the field of nanostructures.）”。

 

研究工作得到国家自然科学基金委“创新研究群体”项目、基金委重大研究计划“培育”项目、科技部973项目和介观物理国家重点实验室自主课题等的资助。