Metasurfaces bieden unieke platforms om exotische fenomenen te realiseren, waaronder negatieve breking, achromatische scherpstelling, en elektromagnetische verhulling vanwege de gemanipuleerde diëlektrische of metalen architecturen. De kruising van meta-oppervlakken en kwantumoptica kan leiden tot aanzienlijke kansen die nog moeten worden onderzocht. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Junxiao Zhou, Shikai Liu en een onderzoeksteam in kwantuminformatie, nano-opto-elektronische apparaten en computertechniek in China en de VS hebben een polarisatie-verstrengelde fotonenbron voorgesteld en gedemonstreerd. Ze gebruikten de bron om de optische randmodus in een beeldvormingssysteem naar AAN of UIT te schakelen op basis van een zeer diëlektrisch meta-oppervlak. Het experiment verrijkte de velden van kwantumoptica en metamaterialen als een veelbelovende richting in de richting van kwantumranddetectie en beeldverwerking met een opmerkelijke signaal-ruisverhouding.

Combinatie van kwantumverstrengeling en randdetectie

Fotonische meta-oppervlakken zijn tweedimensionale (2-D) ultradunne arrays van gemanipuleerde metalen of diëlektrische structuren die manipulatie van het elektromagnetische veld van de lokale fase kunnen vergemakkelijken, amplitude en polarisatie. Onderzoekers ontwikkelen dergelijke mogelijkheden over het algemeen voor een verscheidenheid aan toepassingen in de klassieke optica. Kwantumverstrengeling is essentieel in kwantumoptica voor veel toepassingen, waaronder kwantumcryptografie, teleportatie, superresolverende metrologie en kwantumbeeldvorming. Recente inspanningen laten een trend zien om het meta-oppervlak te combineren met verstrengelde fotonen voor mogelijke toepassingen in kwantumoptica. Randdetectie is een andere factor die bijdraagt ​​aan beeldverwerking om de grenzen tussen regio's in een afbeelding te definiëren. Het is een basishulpmiddel in computervisie om automatiseringen in medische beeldvorming vooraf te verwerken en vormt een essentieel onderdeel van autonome voertuigen. Metasurface-enabled edge-detectie kan worden gebruikt in kwantumoptica om mogelijkheden te bieden voor op afstand bestuurde beeldverwerking en cryptografie. In dit werk, Zhou et al. realiseerde daarom een ​​polarisatie-verstrengelde fotonbron en een zeer efficiënte metasurface-enabled schakelbare optische randdetectiemethode. De gecombineerde strategie toonde een hoge signaal-ruisverhouding (SNR) bij hetzelfde fotonfluxniveau (het aantal fotonen per seconde per oppervlakte-eenheid).

Het concept "Schrödinger's kat" gebruiken

Zhou et al. gebruikte het Schrödinger's cat-concept om de verwachte prestaties van het schakelbare kwantumranddetectieschema te illustreren. Ze beoordeelden het basisprincipe van randdetectie op basis van klassieke continue golf (CW) lichtverlichting. In de proefopstelling is de randdetectie-beeldvormingsarm was onafhankelijk van de verstrengelde bron en de aankondigende arm, evenals de componenten van de coïncidentiemeting. Toen de invallende fotonen een horizontale polarisatietoestand bereikten, de lichtstraal ging door een katvormige opening en een geconstrueerd meta-oppervlak om te scheiden in een links- en rechtshandig overlappend gepolariseerd beeld met een horizontale verschuiving. De overlappende componenten gingen vervolgens door een horizontaal georiënteerde analysator om een ​​'vaste kat'-afbeelding te vormen. Indien, echter, de invallende fotonen waren verticaal gepolariseerd, de overlappende componenten worden opnieuw gecombineerd tot een lineair gepolariseerde component die volledig wordt geblokkeerd door de analysator om alleen een omtrek van een kat te vormen. De onderzoekers gebruikten daarom polarisatie-verstrengelde fotonen als lichtbron om op deze manier kwantumschakelbare randdetectie te ontwikkelen.

De experimentele opstelling en polarisatie-verstrengelde fotonparen

De onderzoekers genereerden polarisatie-verstrengelde fotonen met behulp van een spontaan parametrisch down-conversieproces in een 20 mm lang type II fase-aangepast periodiek gepoold kaliumtitanylfosfaat (KTiOPO ₄ /PPKTP) kristal ingebed in een Sagnac-interferometer. Ze stelden de temperatuur van het kristal in op 17 graden Celsius en gebruikten twee breedband diëlektrische spiegels en een polarisatiebundelsplitser met dubbele golflengte om de zelfstabiele Sagnac-interferometer te vormen. Vervolgens gebruikten ze een continue golf diodelaser met enkele frequentie bij 405 nm om de pompstraal te genereren die werd gefocusseerd door een paar lenzen met geoptimaliseerde brandpuntsafstanden om een ​​bundeltaille van ongeveer 40 micron in het midden van het kristal te bereiken. Om de kracht met de klok mee en tegen de klok in te balanceren, Zhou et al. gebruikte een kwartgolfplaat (QWP) en een halve golfplaat (HWP) voor de Sagnac-lus.

Met behulp van een polarisatiebundelsplitser met dubbele golflengte, ze scheidden de naar beneden geconverteerde fotonparen die werden gepompt door twee tegengesteld voortplantende bundels, om de ene naar de beeldvormende arm te sturen en de andere naar de aankondigende armen, respectievelijk. Zhou et al. ontwierp ook het meta-oppervlak dat in de opstelling werd gebruikt met behulp van de Pancharatnam-Berry-fase en vervaardigde het door een femtoseconde pulslaser in een silica-plaat te scannen. Vervolgens met behulp van scanning elektronenmicroscopie, ze observeerden zelf-geassembleerde nanostructuren in de silica-plaat en toonden hun oorsprong onder intense laserstraling om het meta-oppervlak te genereren. Het team beschreef in het kort de voorbereiding van de kwantumtoestand voor de polarisatieverstrengelde gedegenereerde fotonparen gegenereerd uit de Signac-lus. Ze gebruikten de Bell-toestand (het eenvoudigste voorbeeld van niet-scheidbare kwantumverstrengeling) voor dit werk door de experimentele opstelling aan te passen. Zhou et al. kwantificeerde de verstrengelingskwaliteit van de twee-fotontoestand met behulp van kwantumtomografie en gereconstrueerde twee-fotondichtheidsmatrixmetingen.

Quantum-verstrengeling ingeschakeld quantum edge-detectie

Na bevestiging van de kwaliteit van gegenereerde polarisatie-verstrengelde fotonparen, ze demonstreerden schakelbare kwantumranddetectie. Om dit te bereiken, ze bereidden de fotonen in horizontale of verticale lineaire polarisatietoestanden voor met behulp van de opstelling en koppelden de fotonen aan de vezel en stuurden ze naar het randdetectiebeeldsysteem om het uiteindelijke alternatieve beeld vast te leggen via een geïntensiveerde ladingsgekoppelde apparaatcamera (ICCD). Bijvoorbeeld, Zhou et al. verkregen twee overlappende beelden met een kleine verschuiving, waarbij de verschuivingsrichting uitgelijnd is met de fasegradiëntrichting van het meta-oppervlak. Toen ze de periode van de metaoppervlakstructuur verlengden, ze verminderden de verschuiving tussen de twee overlappende afbeeldingen om randdetectie met hoge resolutie te bereiken. Het kwantumranddetectieschema had nog een voordeel vanwege de hoge signaal-ruisverhouding (SNR), waar het team het omgevingsgeluid in de opstelling aanzienlijk kon verminderen, waar ruis zich slechts in een zeer korte tijd ophoopt. Daarentegen, in de klassieke optica, het geluid zou zich blijven ophopen. Als proof-of-concept, ze verwierven een randbeeld met opmerkelijke SNR voor verbeterde experimentele kwantumranddetectie met verstrengeling.

Outlook

Op deze manier, Junxiao Zhou, Shikai Liu en collega's combineerden kwantumverstrengeling-geactiveerde kwantumranddetectie met behulp van een metasurface-filter in combinatie met een polarisatie-verstrengelde bron. De meta-oppervlakken boden ultradunne en lichtgewicht optische elementen met nauwkeurig ontworpen faseprofielen om een ​​verscheidenheid aan functies te verkrijgen om een ​​compacter en geïntegreerd systeem te vormen. De installatie zal helpen bij het ontwerpen van beveiligingstoepassingen, waaronder beeldversleuteling en steganografie. De methode biedt ook een aantrekkelijke signaal-ruisverhouding (SNR) die geschikt is voor een verscheidenheid aan fotonenhongerige beeldvormings- en detectietoepassingen in de biogeneeskunde, inclusief het volgen van enzymatische reacties en het observeren van levende organismen of lichtgevoelige cellen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk