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量子光学走向超表面材料时代

2018-11-01

在最近的一篇论文中,两个不同的研究小组发现超薄介质超表面的独特性质可以解学量子信息和通信中的一些问题(Science,doi:10.1126/science.aat8196;10.1126 / science.aat9042)。在一个演示中,澳大利亚,台湾和美国的研究人员联手创建了一个超表面“相机镜头”,用于基于成像的光子量子态测量。而另一方面,以色列的一个小组开发了一种能够在激光穿过表面时纠缠单个光子的自旋和轨道角动量状态的超曲面。这两个研究小组都看到了在解决量子光学问题时使用介电表面的巨大潜力。


电介质表面是装饰有亚波长散射元件阵列的高度工程化超薄表面。近年来,它们因为能够从根本上缩小镜片等大块光学元件的尺寸而获得了很多新闻。由澳大利亚国立大学(ANU)的OSA研究员Andrey Sukhorukov领导的研究人员,第一次进行相关尝试,希望看看他们是否可以使用微小的表面来代替实现量子干涉实验中常用的大块桌面尺度的光束分束光学元件。为了实现这一目标,他们首先建模了一个由纳米尺度“元光栅”阵列组成的超表面,相互交错,以将输入光束的各个椭圆偏振状态展开成平行的输出光束阵列。绘制在庞加莱球上的输出可以解释为“多光子希尔伯特空间中的量子投影。” 因此,根据研究小组的说法,测量输出端口之间的光子相关性就能重建量子密度矩阵。


主要作者王凯持有ANU实验中使用的表面样本。[Image Lannon Harley,ANU]

研究小组通过采用标准的半导体制造方法基于数值模拟来制造基于玻璃的硅超表面,从而验证了这一想法。然后,他们通过表面发送具有不同线性偏振态的宣布式单光子(使用自发参数下转换或SPDC产生),使用具有光纤耦合的单光子探测器捕获衍射光子束。该团队发现该系统允许原始光束的预备量子偏振态——包括幅度,相位,相干性和量子纠缠——以95%的保真度从散射输出光束中重建。在一个单独的实验中,该团队能够使用超表面设置来实现和测量多个光子之间的量子干涉。研究人员相信这些能力可以用于各种领域,包括自由空间通信和量子成像。研究人员表示,该系统的一个关键优点是,它允许仅使用偏振不敏感的单光子点击探测器来获取光子相关和量子态测量。实际上,该团队建议将超表面与单光子敏感CCD相机相结合可以实现量子态的多时间帧图像测量。因此,超表面类似于量子“相机镜头”,允许快速的基于成像的量子态测量。除了Sukhorukov之外,研究小组还包括ANU的其他科学家,澳大利亚的新南威尔士大学和悉尼科技大学;台湾国立中央大学和美国橡树岭国家实验室。


设计师为ANU设计的用于量子测量和干涉的超表面的渲染。[图片:王凯,ANU]

在位于以色列海法的以色列理工学院的另一组实验中,由OSA研究员Erez Hasman和Mordechai Segev领导的一个研究小组研究了超声表面如何在量子信息处理中以有用的方式产生和跟踪光子量子态纠缠。该团队的工作重点是通过超表面的作用印记在单个光子上的自旋和轨道角动量(OAM)之间的相互作用。以色列理工学院的研究人员使用传统的CMOS制造步骤来创建基于硅的几何相位超表面。该表面由一系列各向异性天线组成,“设计用作纳米半波片。” 该结构在光通过的几何相位中赋予局部延迟。(参见“Controlling light with geometric-phase holograms,” OPN, February 2016)。在精细的建模中,研究小组仔细地调整了超表面结构的取向,以同时分离光的自旋角动量(圆偏振)分量,并根据自旋状态的符号添加一定量的轨道角动量。结果是一个超表面可以将线性极化的零OAM输入光子转换为具有最大纠缠,非零自旋和OAM状态的输出光子。研究小组通过发送激光束通过非线性晶体,将单个光子分裂成新的光子对来测试超表面。然后,它们将一束成对的光子流通过亚表面,并通过量子态层析成像证实了与超表面的相互作用已经导致OAM和自旋角动量态在单个光子内纠缠。最后,他们将在非线性晶体中产生的光子对通过超表面,并确定一个光子中的自旋与另一个光子中的OAM纠缠,反之亦然。


以色列理工学院的研究人员认为,以这种方式使用超表面来操纵纠缠的能力可以为将纳米光子学应用于未来的量子信息系统开辟道路。他们总结道,“我们的结果表明超材料适合于纠缠光子态的产生和操纵,开辟了量子光学超材料的新领域。”


以色列理工学院博士学生Elhanan Maguid和Dikla Oren是使用超表面产生单光子和多光子纠缠研究的共同作者。[图片:Technion]

(来源:光粒网



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